InGaN基量子点/量子阱复合结构的外延生长及光学性质的研究

The topic of the project is focused on employing the hybridized quantum dot/quantum well structure to improve the luminous efficiency and research the carriers dynamic behaviors of the InGaN-based green-yellow LEDs, which is listed as follows: Research of the epitaxy mechanisms of the high Indium content Nitrides and carriers dynamic behaviors in the quantum well region to obtain reliable experimental data and theoretical support for quantum adjusting luminous efficiency of the green-yellow LEDs. Researching quantum dot nucleation and growth dynamics under various interface/stress conditions, especially for the distribution of the stress and In atoms in the quantum well, and obtaining high quality hybridized quantum dot/quantum well structure. Combing the steady and transient photoluminescence technology to analyze the physical mechanisms of carriers relaxation, transport and recombination process of the hybridized structure, and obtain the physical pictures of the carriers dynamics process under the huge polarization and built-in field. The research results of this project will afford the theoretical basis and technical assistance to the design and development of the high performance green-yellow LEDs.

本项目拟采用量子点/量子阱复合结构以提高InGaN基黄绿光LED的发光效率并研究载流子的动力学行为。具体内容包括：研究蓝宝石衬底上外延生长高In组份氮化物纳米异质结构生长动力学过程，以获得高质量的黄绿光量子阱；对量子阱区域的载流子动力学行为进行光学表征及分析，从而为量子调控发光效率提供理论以及实验依据；研究不同界面及应变状态下富In量子点的成核长大动力学过程，特别是量子点的成核长大过程对量子阱中的应力以及In原子排布的影响，获得高质量的量子点/量子阱复合结构。结合稳态及瞬态光荧光光谱，分析强极化电场以及内建电场对复合结构中载流子弛豫、输运以及复合动力学过程的作用机理，获得强极化电场作用下关于载流子动力学行为的清晰物理图像，为黄绿光LED器件结构设计提供理论支撑及实验数据。

本项目以高发光效率黄绿光LED为应用背景，提出量子点/量子阱复合结构以提高InGaN基黄绿光LED的发光效率并研究载流子的动力学行为。主要研究内容如下: 1，系统研究了GaN低温盖层生长过程中通入小流量H2对InGaN/GaN多量子阱结构光学性质的影响。引入小流量H2可使得多量子阱结构的内量子效率提高3.8倍，然而PL发光峰会发生较大蓝移，光谱也有所展宽。通过深入分析多量子阱结构中载流子的输运及复合动力学行为，提出了两步法生长GaN低温盖层，此方法不仅能大幅减小发光峰蓝移及光谱展宽，还能有效提高发光效率。2，系统研究了H2处理温度对量子阱/垒界面处理效果的影响。处理温度较高时，H2、NH3的裂解效率较高，能产生较多的活性H原子，去除阱/垒界面的杂质、富In团簇等缺陷，进而提高多量子阱结构的内量子效率及表/界面质量；处理温度较低时，则效果甚微。3，系统研究了生长GaN垒层时H2比例对多量子阱结构表面形貌演变机制的影响。H2比例较低时，H2可增强Ga原子表面迁移率及对界面的刻蚀作用，有利于获得低缺陷密度及光滑平整的表面；H2比例较大时，应力释放及H2过刻蚀效应成为主要影响因素，并使得表面质量恶化。4，系统研究了高In组分InGaN量子阱层生长过程中的周期性中断以及In处理技术对多量子阱结构光学性质和表面形貌的影响。生长中断，有利于减少缺陷数目，但会降低量子阱中的In组分，使得发光峰蓝移。在量子阱层生长的周期性中断期间对生长表面进行In处理以及在阱层生长之前预通In处理表面，均会使得发光峰红移，是获得长波长发射的有效手段。5，量子点/量子阱复合结构的生长温度、GaN隔离层厚度、量子点与量子阱的生长次序等均会对其光学性质产生重大影响。调节上述参数可调控量子点与量子阱之间载流子的驰豫、输运及复合动力学行为，并最终实现对发光性能的调制。综上所述，本项目研究内容涵盖了氮化物纳米异质结构生长动力学及强极化电场作用下载流子动力学行为，积累了大量实验数据，可为LED器件结构设计提供理论支撑。