III族氮化物发光二极管量子限制斯塔克效应实验研究

论文总字数：23165字

目 录

1. 绪论…………………………………………………1

1.1 GaN基半导体的基本性质………………………………………………………………1

1.1.1 GaN………………………………………………………………………………1

1.1.2 物理性质…………………………………………………………………………1

1.1.3 化学性质…………………………………………………………………………1

1.1.4 GaN的晶体结构…………………………………………………………………1

1.1.5 GaN的电学特性…………………………………………………………………1

1.1.6 GaN的光学特性…………………………………………………………………2

1.2 GaN的制备方法…………………………………………………………………………2

1.3 GaN材料的生长…………………………………………………………………………2

1.4 GaN的自发极化…………………………………………………………………………2

1.5 GaN基InGaN/GaN MQWs LED器件…………………………………………………3

1.5.1 LED的基本结构及原理…………………………………………………………3

1.5.2 GaN基LED结构及其原理……………………………………………………5

1.5.3 GaN基材料中的自发极化和压电极化…………………………………………5

1.6 极化电场对器件性能的影响……………………………………………………………6

1. 实验与分析…………………………………………7

2.1 LED的传统结构和垂直结构……………………………………………………………7

2.2 两种结构的LED的性质…………………………………………………………………7

2.3 发光峰中心波长的蓝移现象……………………………………………………………9

2.4 量子限制斯塔克效应…………………………………………………………………11

2.4.1 极化电场与能带的弯曲………………………………………………………11

2.4.2 能带弯曲对载流子波函数的影响……………………………………………12

2.4.3 量子限制斯塔克效应对于LED的影响………………………………………12

2.5 利用光致发光LED研究量子限制斯塔克效应………………………………………12

2.5.1 LED的光致发光………………………………………………………………12

2.5.2 载流子的注入…………………………………………………………………13

2.5.3 反向偏压与激光源的选取……………………………………………………13

2.5.4 光致发光实验结果与分析……………………………………………………14

1. 对LED发光的调制及其应用……………………16

3.1 利用反向偏压Vg对LED进行调制…………………………………………………16

3.2 反向偏压对LED的调制效果…………………………………………………………16

3.3 LED调制的应用前景…………………………………………………………………18

1. 结论………………………………………………19

参考文献………………………………………………20

致谢……………………………………………………21

III族氮化物发光二极管量子限制斯塔克效应实验研究

余弢

，China

Abstract:As an energy-efficient lighting solution, LEDs have been rapidly developed in recent years. However, as people's demands for quality of life have increased, and the international community has increasingly attached importance to environmental protection and sustainable development, more efficient and better performing MQWs LEDs have gradually become a new direction for countries to compete and develop. However, there is QCSE in the MQWs LEDs that can adversely affect light emission. This article uses GaN/InGaN MQWs LED as an example to compare the optoelectronic characteristics of traditional and vertical structures through experiments, and to discuss the nature of QCSE and its impact on LED luminescence process. Afterwards, we successfully used the photoluminescence, reverse bias voltage and other experimental means to successfully observe the decrease of the peak of the EL spectrum and the increase of the center energy of the emission peak, thereby verifying the existence of the QCSE and the bending of the energy band in the quantum well. Finally, we mentioned the modulation effect of reverse bias voltage on electroluminescence and its application.

Key words: GaN/InGaN; MQWs; QCSE; Band bending; Photoluminescence

一.绪论

1.1 GaN基半导体的基本性质

1.1.1 GaN

半导体材料的发展伴随着人们对新半导体材料的发现和研究。硅、锗单质是我们发现的第一代半导体，砷化镓、磷化铟等化合物被称为第二代半导体材料，而氮化镓(GaN)与碳化硅、金刚石等材料一起被称作第三代半导体材料。这类材料具有很强的原子键，同时拥有较宽的直接带隙。在拥有较为稳定的化学性质（几乎不会在任何酸中溶解）的同时，还兼具较高的导热性能和较强的抗辐射能力。因此它们在高频率微波器件、高温大功率电子器件和光电子领域都有着非常广阔的应用前景。

1.1.2 物理性质

GaN的分子量为83.7297、密度为6.1g/mL、熔点约为1700℃，是一种性质稳定的化合物。它具有在Ⅲ-Ⅴ族化合物中最高的电离度，为0.43或0.5。

1.1.3 化学性质

常温情况下的GaN性质极为稳定，不溶于水且不溶于任何浓度的硫酸、盐酸及硝酸。40%HF也无法将其溶解。GaN在碱溶液中也保持稳定，但热碱溶液能够以相当慢的速度对其进行溶解。磷酸、硫酸和氢氧化钠能够以很快的速率溶解质量较差的GaN，这一性质被用来检测那些质量不高的GaN。高温下GaN可以在N₂环境中保持稳定，但在HCl和Cl₂环境下变得不稳定。1050℃时GaN会开始分解：2GaN(s)=2Ga(g) N₂(g)。^[1]

1.1.4 GaN的晶体结构

利用X射线衍射我们得知了GaN晶体属纤维锌矿晶格类型的六方晶系，并且它拥有两种不同的晶体结构。在标准大气压下GaN晶体一般为图1所示的六方纤锌矿结构，其原子体积约为GaAs的一半，并且一个元胞中包含四个原子。它的另一种结构为闪锌矿结构。

图1 标准大气压下的GaN晶格结构

1.1.5 GaN的电学特性

为一种光电半导体材料，我们更加关注GaN的电学特性。普通的没有经过掺杂的GaN呈N型，最优质的样品中电子浓度大概为4×10¹⁶ cm⁻³，因此若想要制备出P型的GaN样品，就需要对其进行较高程度的补偿。国际很多实验室都从事过这方面的相关研究。中村得到的室温下GaN最高迁移率为μ_n=600cm²/v·s，液氮温度下可以达到μ_n=1500cm²/v·s；对应的载流子浓度分别为n=4×10¹⁶cm^-3和n=8×10¹⁵cm^-3。利用新型新型气相外延生长技术(MOCVD)可使GaN层电子浓度达到4×10¹⁶cm^-3，在此基础上等离子激活分子外延(MBE)的结果为8×10³cm^-3~10¹⁷cm^-3。该技术能让未掺杂载流子浓度控制在10¹⁴~10²⁰cm^-3的范围。此外，利用Mg的低能电子束辐照或热退火处理等技术，可以控制掺杂浓度在10¹¹~10²⁰cm^-3的范围。

1.1.6 GaN的光学特性

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