Ⅲ族氮化物量子阱光電子學特性和應用的研究.pdf

1、Ⅲ族氮化物半導體,包括AlN,GaN和InN及它們所組成的三元化合物AlGaN,InAlN,InGaN和四元化合物InAlGaN,因為其禁帶寬度覆蓋了紫外到可見光的重要光譜范圍,具有比目前為止其它半導體材料更大的發(fā)展?jié)摿透鼜V闊的應用前景。隨著材料生長技術和器件制備技術的提高,近十幾年來Ⅲ族氮化物在光電子領域尤其是發(fā)光器件的應用上取得了長足的進步。由于量子限制效應使量子阱結構的發(fā)光器件在性能上更為優(yōu)越,實用化的Ⅲ族氮化物發(fā)光器件基本采用

2、量子阱結構來制作,對Ⅲ族氮化物量子阱進行理論和應用研究具有深刻的現實意義。盡管十幾年來Ⅲ族氮化物量子阱發(fā)光器件的特性和應用研究都取得了很大的進展,但仍舊存在很多有待解決的問題。本文將針對Ⅲ族氮化物量子阱發(fā)光器件研究所面臨的部分關鍵問題進行研究,并提出一些合理的解決方案。本文的具體研究內容和成果主要包括:
　　 1.首先建立了基于修正的k·p方法的Ⅲ族氮化物量子阱光電子學特性的理論模型,該模型充分考慮了極化效應、阱間耦合以及應力效

3、應的影響,通過對導帶和價帶有效質量方程和泊松方程的自洽求解,最終可以得到Ⅲ族氮化物量子阱結構的光電子學特性。并采用非均勻網絡的有限差分法,建立了能夠計算任意復雜應變量子阱結構光電子學特性的高級語言數值計算程序。
　　 2.針對Ⅲ族氮化物特有的極化特性,本文應用建立的基于k·p方法的理論模型,以藍光應用的InGaN/GaN多量子阱結構為例,詳細分析了極化效應對Ⅲ族氮化物量子阱光電子學特性的影響及產生這種影響的原因。之后分析了在極化

4、效應影響下,InGaN多量子阱結構的光電子學特性對阱寬和壘厚依賴性增強的原因。在此基礎上本文提出了通過采用摻In壘層或采用極化匹配InAlGaN壘層的方法,能夠改善極化效應對InGaN多量子阱結構光電子學特性的影響,利
　　 用k·p方法模型得到的仿真程序,從理論上證明了在采用摻In壘層或采用極化匹配InAlGaN壘層后,InGaN多量子阱結構中極化影響的改善。
　　 3.針對Ⅲ族氮化物的白光應用,本文提出了采用對應輻射

5、波長互補的兩種InAlGaN量子阱,按一定順序排列形成的非規(guī)則多量子阱結構實現單芯片、無熒光粉雙色白光LED?；蛘卟捎眉t光、綠光和藍光量子阱組合而成的InAlGaN非規(guī)則多量子阱結構實現三色白光LED。通過分析不同設計參數InAlGaN非規(guī)則多量子阱結構的光電子學特性,從理論上驗證了通過選擇合適的設計參數,InAlGaN非規(guī)則多量子阱結構的輻射光譜將接近白光。本文進一步討論了在極化效應的影響下,應用于雙色和三色白光LED的InGaN非規(guī)

6、則多量子阱結構的優(yōu)化設計。
　　 4.為了分析Ⅲ族氮化物量子阱器件遠離平衡態(tài)時的輸運特性,本文建立了基于Wigner函數的Ⅲ族氮化物量子阱結構的量子輸運模型,該方法通過自洽求解Wigner函數形式的電子和空穴劉維爾方程及泊松方程,能夠得到Ⅲ族氮化物量子阱結構內部的載流子動態(tài)情況。之后采用有限差分法離散化劉維爾方程和泊松方程,建立了能夠計算任意復雜應變量子阱結構輸運特性的高級語言數值計算程序。應用基于Wigner函數的量子輸運模型