InGaN量子点/量子阱复合结构的形成机理及光学性质研究

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InGaN/GaN量子阱已被广泛应用于蓝色、绿色甚至黄色光谱范围的发光二极管(LEDs)和激光器二极管(LDs)。但是,当发射波长从蓝光转变到绿光时,InGaN/GaN量子阱的内量子效率(IQE)急剧下降,这个问题被称为“Green Gap”。假如黄绿光波段的GaN基LED发光效率能够得到提升,不仅可以解决“Green Gap”问题,而且可以促进多色合成白光的广泛应用。在绿光波段,InGaN量子点相对于量子阱具有更低的内应变和缺陷密度,有望成为解决“Green Gap”。本文以InGaN量子点/量子阱复合结构为研究对象,主要进行了以下研究:1.采用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)生长了1周期、2周期、4周期和6周期InGaN/GaN量子阱。利用原子力显微镜(AFM)和扫描透射电子显微镜(STEM)的高角度环形暗场像(HAADF)对其表面形貌和截面结构进行了表征。用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察缺陷和非辐射复合中心。研究发现:随着生长周期数的增加,应变逐渐积累并弛豫,V型坑密度也逐渐增加。当周期数增加到4时,坑与坑相互邻接,从而在相邻V型坑之间形成岛;周期数增加到6时,V型坑完全覆盖了样品表面,从而使样品表面形成岛状形貌。根据岛的大小可以将所有岛分为三类:大、中、小岛。在大岛下,InGaN层被产生于底部量子阱(QW)的V型坑切断,同样也切断了铟原子的迁移路径并形成了垂直排列的富铟(In-rich)量子点(QDs)。在中岛和小岛下,InGaN层仍是连续的,但由于应变弛豫,出现了成分和厚度的明显波动,从而形成另一种富In量子点。这两种富In量子点的形成方式,大大增强了载流子的局域化效应,有利于提高内量子效率。2.使用MOCVD生长了三个具有不同垒层温度的InGaN/GaN量子阱。由于高密度V型坑的形成,完整的量子阱结构被破坏,转变成了InGaN量子点/量子阱复合结构。通过变功率光致发光谱和变温光致发光谱,分析了在不同的垒层温度下量子限制斯塔克效应(QCSE)、非辐射复合中心密度和载流子局域化效应的变化。结果表明在较低的温度下,QCSE较弱,因为在较低的温度下,V型坑的深度更深,应力释放更明显,残余应变更低;非辐射复合中心密度也随着温度的升高而逐渐增多;样品的内量子效率随着垒层生长温度的升高降低。QCSE增强和非辐射复合中心密度升高是垒层生长温度升高时内量子效率下降的主要因素。
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