InGaN-GaN基納米柱LED的制備及光學特性研究.pdf

1、GaN及其合金化合物（InGaN、AlGaN等）作為Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料的代表，由于Ⅲ族氮化物半導體材料屬于直接帶隙半導體并且擁有變化范圍很大的帶隙寬度，其帶隙變化范圍從InN的0.7eV到AlN的6.28eV，對應(yīng)能量從近紅外可覆蓋到深紫外，再加上其良好的熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的電熱力學性質(zhì)，在發(fā)光、顯示、探測、存儲等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。特別是在光電器件方面，InGaN合金作為一個重要的發(fā)光材料，更是起到不可替代的作用。盡管InGaN/Ga

2、N多量子阱LED的特性和應(yīng)用在過去取得了很大的進步與發(fā)展，但仍有許多問題有待解決，最重要的問題之一是InGaN/GaN多量子阱LED的發(fā)光效率仍然較低。
　　本論文首先采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)法在c面藍寶石襯底之上生長InGaN/GaN多量子阱基LED。然后，使用自上而下的ICP刻蝕技術(shù)制備納米柱LED陣列。利用PL、拉曼、SEM等方法以及Rsoft模擬等手段分析納米柱結(jié)構(gòu)對InGaN/GaN基LED光電特性和內(nèi)部物

3、理機制的影響。主要內(nèi)容如下:
　　(1)研究對比了平板LED（即原位樣品）與納米柱LED陣列（即納米柱樣品）的發(fā)光強度和發(fā)光效率。通過對比我們發(fā)現(xiàn)，原位樣品經(jīng)過自上而下的物理刻蝕之后發(fā)光強度顯著增強。納米柱樣品的PL光譜強度內(nèi)較原位增強1.05-3.56倍。納米柱樣品應(yīng)力釋放導致QCSE變?nèi)?，電子和空穴的波函?shù)交疊幾率變大，提高了內(nèi)量子效率。納米柱LED大的比表面積和光導向作用使得光提取效率增大，通過Rsoft仿真實驗可以定量分析

4、驗證。
　　(2)對原位樣品與納米柱樣品的HRTEM圖譜、SEM譜與Raman光譜進行分析。HRTEM圖譜發(fā)現(xiàn)多量子阱層中富In形成量子點聚集并產(chǎn)生較強相分離，量子點和InGaN母體分別對應(yīng)于PL光譜圖中2.3eV和2.6eV的兩個發(fā)光峰。SEM譜可以直觀看到規(guī)則排列的納米柱陣列結(jié)構(gòu)。Raman光譜發(fā)現(xiàn)納米柱結(jié)構(gòu)的E2(H)聲子模型往低頻率方向藍移，并由此證明了InGaN/GaN納米柱LED的應(yīng)力釋放。
　　(3)研究了刻蝕

5、前后樣品中載流子局域效應(yīng)的變化。通過研究原位樣品和納米柱樣品溫度依賴性和激發(fā)功率依賴性的PL光譜，發(fā)現(xiàn)較原位樣品，納米柱樣品中載流子局域效應(yīng)均有增強現(xiàn)象，應(yīng)力釋放增強載流子局域效應(yīng)的內(nèi)部物理機制如下:應(yīng)力釋放導致能帶傾斜程度降低，量子阱內(nèi)的載流子在不同量子點內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)移和再分布，并增加了局域態(tài)能帶的態(tài)密度，使得納米柱樣品的InGaN母體和富In量子點區(qū)域要比原位樣品存在更強的局域效應(yīng)。
　　(4)通過理論分析對比了原位樣品與納米柱樣