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近年来,Ⅲ族氮化物材料越来越受到人们的关注。由于Ⅲ族氮化物特有的带隙范围,优良的光、电性质,优异的材料机械和化学性能,使得它在光电子器件方面有着广泛的应用前景。目前,基于GaN及其化合物的LED器件已经实现了商业化。然而,沿生长方向([0001]方向)存在的自发极化和压电极化效应使得LED内多量子井(MQW)的量子效率降低,从而限制了LED发光效率的提高。在LiAlO2(100)衬底生长的m面GaN基非极性LED摒除了极化电场对发光效率的影响,有望进一步提高发光效率,从而受到广泛的关注。与此同时,InN薄膜质量的提高使其禁带宽度从早期普遍认为的1.9eV改变为现在广泛引用的0.6~0.9eV,因此使InGaAlN基LED理论上可以覆盖从紫外到红外的全光谱显示,进一步扩大了Ⅲ族氮化物LED的应用范围。
本文的主要内容是通过光学测量手段对LiAlO2(100)衬底上生长的m面GaN的光学各向异性以及α-Al2O3衬底上生长的高质量:InN薄膜的光学性质进行了研究与讨论。总结主要结论如下:
1.通过偏振反射谱与棱镜耦合法的测量,我们从实验上得到了m面的GaN材料在生长平面内具有光学各向异性。棱镜耦合法得到在特定波长632.8nm时,o光和e光的折射率;而通过偏振反射谱不仅拟和出了带边能量以下o光、e光的折射率色散曲线,并且得到了ε∞‖和ε∞⊥的大小分别为5.482与5.364。两种实验手段得出的结果相互对应。
2.常温下,从吸收和辐射两个方面研究了应力引起的M面GaN材料在生长平面内的各向异性。由于本文采用的样品在c平面内承受各向异性的应力作用,并且x方向为压应变,y方向为张应变,此时,价带顶原本简并的轻、重空穴带发生分离,| x>空穴带上升,|y>空穴带下降剑晶场分裂带之下。偏振吸收谱的结果得到|x>空穴带与晶场分裂空穴带在г点的能量差为32meV;偏振PL谱的结果不仅得到了此能量差为37meV,而且得到了两个偏振方向带边跃迁的强度关系,电子跃迁到|x>空穴带的几率比较大。
3.研究了M面GaN能带随温度的变化。我们根据变温PL的结果得到了180K~300K温度区域C跃迁的能量变化曲线,以及10K~300K温度区域A跃迁的能量变化曲线。A跃迁能量在低温范围出现反常变化,解释为由于层错缺陷引起了导带底和价带顶出现三角量子井结构,在极低温下,发生跃迁的电子和空穴都被束缚在此量子井中,随着温度的升高,空穴首先摆脱束缚,在更高温度下电子也摆脱束缚,因此跃迁能量会随温度升高出现谷型变化。
4.通过对吸收光谱、光致发光谱的测量研究了InN的光学禁带宽度随载流子浓度的变化,并通过载流子浓度最小的样品的测量结果得出InN材料的带隙接近0.65eV。拉曼光谱研究InN材料的振动模,通过对等离子激元—LO声子耦合模的分析和计算得到了样品载流子浓度为4×1018cm-3,与Hall实验测量值一致。通过椭圆偏振光谱的测量和拟合,得到了布里渊区临界点Eo的大小为0.66eV,同时得到了反射率实部n与虚部k的色散曲线。