GaN-AlGaN量子阱結(jié)構(gòu)極化電場(chǎng)調(diào)控及光學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、量子阱結(jié)構(gòu)由于其可控的量子限制效應(yīng)和成熟的制備方法，成為眾多GaN/AlGaN基光電子器件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元。一方面，利用量子阱帶內(nèi)躍遷機(jī)制可以制備量子阱紅外和太赫茲探測(cè)器；另一方面，基于帶間躍遷機(jī)制，可以制備紫外發(fā)光二極管、激光器和探測(cè)器。然而，由于纖鋅礦Ⅲ族氮化物材料本身和晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，GaN/AlGaN量子阱結(jié)構(gòu)具有一個(gè)顯著的特征——極化效應(yīng)，包括自發(fā)極化和壓電極化。這種極化效應(yīng)會(huì)在量子阱結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生極強(qiáng)的極化電場(chǎng)，可高達(dá)幾MV/cm

2、。極化電場(chǎng)會(huì)影響量子阱中電子的躍遷能量和躍遷幾率，嚴(yán)重制約和影響了光電子器件的性能?；跇O化效應(yīng)在GaN基光電子器件中的重要性，本論文圍繞極化電場(chǎng)，從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面詳細(xì)地研究了GaN/AlGaN量子阱結(jié)構(gòu)中極化電場(chǎng)的作用和調(diào)控手段以及量子阱的光學(xué)性質(zhì)，并取得了以下成果。
　　(1)采用有效質(zhì)量和包絡(luò)函數(shù)近似方法，建立了GaN/AlGaN量子阱結(jié)構(gòu)理論計(jì)算模型。在模型中，電子和空穴的行為由薛定諤方程描述，勢(shì)能則由泊松方程描述。該

3、模型可以獨(dú)自或綜合考慮自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)。采用有限差分方法，通過(guò)自洽求解薛定諤和泊松方程，獲得了量子阱結(jié)構(gòu)中電子和空穴的波函數(shù)、能級(jí)等信息，為后續(xù)量子阱電子躍遷和光學(xué)性質(zhì)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。
　　(2)為獲得太赫茲波段的子能級(jí)躍遷，設(shè)計(jì)了階梯型量子阱結(jié)構(gòu)，并從理論上詳細(xì)研究了極化電場(chǎng)對(duì)子能級(jí)躍遷的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)插入階梯層來(lái)調(diào)控極化電場(chǎng)，可以在原本勢(shì)能傾斜的量子阱中獲得一個(gè)平坦的勢(shì)能，從而使得子能級(jí)躍遷到達(dá)太赫茲波段

4、。并且，只有當(dāng)量子阱的厚度處于1.7至4.3nm，階梯阱的厚度大于7nm時(shí)，子能級(jí)躍遷才處于太赫茲波段范圍。此外，研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)勢(shì)壘Al組分是階梯阱Al組分的2倍時(shí)，子能級(jí)躍遷能量最小且處于太赫茲波段。
　　(3)在研究量子阱子能級(jí)躍遷時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)基于此躍遷機(jī)制的GaN/AlGaN量子阱結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的二階非線性效應(yīng)。通過(guò)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)階梯量子阱中的二階非線性極化率要比傳統(tǒng)量子阱提高近10倍，這對(duì)基于光學(xué)非線性效應(yīng)的器件如倍頻光學(xué)元件

5、是極為有益的。此外，我們還發(fā)現(xiàn)，利用極化電場(chǎng)的勢(shì)能調(diào)控作用，可以在階梯量子阱中實(shí)現(xiàn)三能級(jí)共振系統(tǒng)，從而進(jìn)一步提高二階非線性極化率，最高可達(dá)4×10-6m/V。
　　(4)非極性a面GaN/AlGaN量子阱由于不存在極化電場(chǎng)，理論上其電子與空穴波函數(shù)在空間上完全重合，輻射復(fù)合速率最大。為此，我們?cè)趓面藍(lán)寶石上外延生長(zhǎng)了不同勢(shì)阱厚度和勢(shì)壘Al組分的a面GaN/AlGaN量子阱結(jié)構(gòu)。通過(guò)變溫PL測(cè)試，發(fā)現(xiàn)量子阱激子發(fā)光峰位隨著溫度升高先

6、紅移再藍(lán)移最后紅移，即“S-shape”現(xiàn)象，說(shuō)明激子存在局域行為。通過(guò)Varshni公式擬合獲得了激子的局域能。我們發(fā)現(xiàn)，量子限制效應(yīng)越強(qiáng)，激子局域能越大，量子阱激子發(fā)光效率就越高。結(jié)合TEM表征和理論計(jì)算，我們認(rèn)為激子的局域行為是由量子阱厚度不均勻性導(dǎo)致的勢(shì)壘起伏所引起的。
　　(5)首次將階梯量子阱結(jié)構(gòu)引入到GaN基紫外發(fā)光二極管(LED)多量子阱有源區(qū)中。理論計(jì)算表明，階梯量子阱可以有效調(diào)控量子阱中的極化電場(chǎng)，使得電子與空

7、穴波函數(shù)空間重疊率得到了極大的提高。通過(guò)MOCVD外延生長(zhǎng)了不同結(jié)構(gòu)的GaN/AlGaN多量子阱樣品，利用變溫光致發(fā)光(PL)測(cè)試獲得了樣品的內(nèi)量子效率。結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的GaN/AlGaN多量子阱結(jié)構(gòu)，階梯型GaN/AlGaN多量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)量子效率提高了一倍，高達(dá)82.4％。低溫時(shí)間分辨光致發(fā)光(TRPL)測(cè)試獲得了量子阱中載流子的輻射復(fù)合壽命在230-300ps范圍，并且發(fā)現(xiàn)階梯型GaN/AlGaN多量子阱中載流子的輻射復(fù)合壽命