相分离InGaN/GaN多量子阱发光二极管的光学特性

摘要

InGaN/GaN多量子阱(MQWs)结构是当前制造蓝绿光发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的首选异质结构。InGaN合金的禁带宽度可在InN带隙(0.7eV)到GaN带隙(3.4eV)之间调节，覆盖了整个可见光区域并扩展到紫外范围。尽管目前生长工艺进步很快，但通过金属有机化学沉积工艺(MOCVD)生长高In组分的InGaN仍然很困难。GaN中In的溶解度在800℃时只有6％，同时In的组分很依赖于生长温度，在InGaN薄膜中容易出现In元素的相分离。深入研究相分离的InGaN/GaN多量子阱有助于开发制作高效率的LED。
　　在本论文中，通过透射电子显微图像(TEM)、光致发光(PL)和时间分辨光致发光(TRPL)等手段观察到了InGaN/GaN多量子阱很强的相分离。在光致发光光谱中，两个和InGaN相关的发光峰是峰位在2.7eV左右的蓝光峰(PM）和2.4eV左右的绿光峰(PD），分别对应于InGaN母体平台和富In量子点(QDs)。通过处理实验数据得到PL光谱的两个发光峰的温度依赖性和激发功率依赖性，以研究在这两个相结构中的载流子传输和复合机制。还通过TRPL光谱得到了载流子复合寿命以分析载流子复合寿命等动态特性，文章主要内容包括如下:
　　1.研究了光致发光的温度依赖性。PM发光峰的峰位随温度显示出S型的变化，这是由于InGaN母体平台In组分的势波动和载流子复合的局域特性。然而PD的峰位在温度一直增加到300K的过程中，呈现出现先下降后上升的趋势，表明量子点中的载流子先是弛豫到深局域态，然后热化占据高能级。
　　2.研究了光致发光的激发功率依赖性。在6K低功率范围内，随着激发功率的增加，PM和PD的峰位都上升，半高宽几乎不变，这是屏蔽斯塔克效应(QCSE)和带尾态填充的综合作用。在300K时，该功率范围内，非辐射复合主导着PM的发光，而载流子从浅量子点向深量子点的传输机制导致了PD的红移。
　　3.通过时间分辨光致发光谱，我们得到了两个发光峰各自载流子的寿命，实验结果表明InGaN母体平台和富In量子点都表现出不同程度的局域态特性。