GaN/AlGaN量子阱结构极化电场调控及光学性质研究

摘要

量子阱结构由于其可控的量子限制效应和成熟的制备方法，成为众多GaN/AlGaN基光电子器件的基础结构单元。一方面，利用量子阱带内跃迁机制可以制备量子阱红外和太赫兹探测器；另一方面，基于带间跃迁机制，可以制备紫外发光二极管、激光器和探测器。然而，由于纤锌矿Ⅲ族氮化物材料本身和晶体结构的特点，GaN/AlGaN量子阱结构具有一个显著的特征——极化效应，包括自发极化和压电极化。这种极化效应会在量子阱结构中产生极强的极化电场，可高达几MV/cm。极化电场会影响量子阱中电子的跃迁能量和跃迁几率，严重制约和影响了光电子器件的性能。基于极化效应在GaN基光电子器件中的重要性，本论文围绕极化电场，从理论和实验两个方面详细地研究了GaN/AlGaN量子阱结构中极化电场的作用和调控手段以及量子阱的光学性质，并取得了以下成果。
　　(1)采用有效质量和包络函数近似方法，建立了GaN/AlGaN量子阱结构理论计算模型。在模型中，电子和空穴的行为由薛定谔方程描述，势能则由泊松方程描述。该模型可以独自或综合考虑自发极化和压电极化效应。采用有限差分方法，通过自洽求解薛定谔和泊松方程，获得了量子阱结构中电子和空穴的波函数、能级等信息，为后续量子阱电子跃迁和光学性质的研究奠定了理论基础。
　　(2)为获得太赫兹波段的子能级跃迁，设计了阶梯型量子阱结构，并从理论上详细研究了极化电场对子能级跃迁的影响规律。研究发现，通过插入阶梯层来调控极化电场，可以在原本势能倾斜的量子阱中获得一个平坦的势能，从而使得子能级跃迁到达太赫兹波段。并且，只有当量子阱的厚度处于1.7至4.3nm，阶梯阱的厚度大于7nm时，子能级跃迁才处于太赫兹波段范围。此外，研究还发现当势垒Al组分是阶梯阱Al组分的2倍时，子能级跃迁能量最小且处于太赫兹波段。
　　(3)在研究量子阱子能级跃迁时，我们发现基于此跃迁机制的GaN/AlGaN量子阱结构具有很强的二阶非线性效应。通过对比研究，发现阶梯量子阱中的二阶非线性极化率要比传统量子阱提高近10倍，这对基于光学非线性效应的器件如倍频光学元件是极为有益的。此外，我们还发现，利用极化电场的势能调控作用，可以在阶梯量子阱中实现三能级共振系统，从而进一步提高二阶非线性极化率，最高可达4×10-6m/V。
　　(4)非极性a面GaN/AlGaN量子阱由于不存在极化电场，理论上其电子与空穴波函数在空间上完全重合，辐射复合速率最大。为此，我们在r面蓝宝石上外延生长了不同势阱厚度和势垒Al组分的a面GaN/AlGaN量子阱结构。通过变温PL测试，发现量子阱激子发光峰位随着温度升高先红移再蓝移最后红移，即“S-shape”现象，说明激子存在局域行为。通过Varshni公式拟合获得了激子的局域能。我们发现，量子限制效应越强，激子局域能越大，量子阱激子发光效率就越高。结合TEM表征和理论计算，我们认为激子的局域行为是由量子阱厚度不均匀性导致的势垒起伏所引起的。
　　(5)首次将阶梯量子阱结构引入到GaN基紫外发光二极管(LED)多量子阱有源区中。理论计算表明，阶梯量子阱可以有效调控量子阱中的极化电场，使得电子与空穴波函数空间重叠率得到了极大的提高。通过MOCVD外延生长了不同结构的GaN/AlGaN多量子阱样品，利用变温光致发光(PL)测试获得了样品的内量子效率。结果表明，相较于传统的GaN/AlGaN多量子阱结构，阶梯型GaN/AlGaN多量子阱结构内量子效率提高了一倍，高达82.4％。低温时间分辨光致发光(TRPL)测试获得了量子阱中载流子的辐射复合寿命在230-300ps范围，并且发现阶梯型GaN/AlGaN多量子阱中载流子的辐射复合寿命要小于传统结构中的载流子辐射复合寿命，从而印证了阶梯量子阱结构可以有效增强载流子的辐射复合速率，提高内量子效率。

目录

声明

1绪论

1.1Ⅲ族氮化物材料基本性质

1.2 GaN/AlGaN量子阱结构的研究背景及意义

1.3 GaN/AlGaN量子阱结构的研究进展

1.4本论文的研究内容及组织结构

2 GaN/AlGaN量子阱结构的理论和实验研究方法

2.1 AlGaN材料的基本性质与极化效应

2.2 GaN/AlGaN量子阱带内和带间跃迁理论计算方法

2.3 MOCVD材料外延生长技术

2.4材料测试表征技术

2.5本章小结

3 GaN/AlGaN量子阱太赫兹子能级跃迁研究

3.1太赫兹简介

3.2 量子阱极化电场调控研究

3.3阶梯量子阱太赫兹波段子能级跃迁

3.4量子阱结构参数对子能级跃迁的影响

3.5掺杂对子能级跃迁的影响

3.6本章小结

4 GaN/AlGaN量子阱光学二阶非线性极化率研究

4.1光学二阶非线性效应简介

4.2传统量子阱中二阶非线性极化率特性

4.3阶梯型量子阱中二阶非线性极化率特性

4.4双共振三能级系统增强二阶非线性极化率

4.5本章小结

5 GaN/AlGaN量子阱结构激子发光特性研究

5.1极性c面GaN/AlGaN量子阱结构激子发光特性研究

5.2非极性a面GaN/AlGaN量子阱结构激子发光特性研究

5.3本章小结

6极化工程提升GaN/AlGaN量子阱结构发光效率研究

6.1 AlGaN基紫外LED发光效率及影响因子简介

6.2极化电场对发光内量子效率的影响

6.3 AlGaN模板外延生长及发光特性研究

6.4 GaN/AlGaN量子阱结构MOCVD外延生长

6.5 GaN/AlGaN量子阱结构内量子效率增强机制研究

6.6 本章小结

7总结与展望

7.1工作总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录1攻读博士学位期间发表的论文

附录2攻读博士学位期间申请的专利