基于脉冲沉积和InN嵌入法的高In组分InGaN及其量子阱结构的外延生长和光学性质研究

InGaN-based semiconductor is the most promising material system for the full-colour LED. Based on the significant application in the displays and solid-state lighting, the preparation of high quality and high In content InGaN quantum well (corresponding to green LEDs) is very important. To solve the high crystal quality and high internal quantum efficiency of InGaN quantum well, the project is proposed to study the epitaxial growth and optical properties of high In content InGaN epilayers and quantum well structures based on pulsed deposition and InN embedding techniques by MOCVD. The content relates to the mechanism of InGaN epitaxial growth dynamics, alloy behavior and evolution, design, preparation and interface control of quantum well structures, the stress evolution and luminescence dynamics in InGaN quantum well structures. The project applicant and the research group have been engaged in research on III-nitride semiconductor for many years, and have a good basis for this project with best experimental conditions. The project with important scientific significance and application value is the frontier of international research for III-nitride semiconductor materials, physics and device.

InGaN基半导体是发展全色LED最有前途的材料体系，基于高In组分InGaN绿光LED在显示和固态照明方面具有重大应用，而高质量高In组分InGaN以及量子阱(对应于绿光LED)的高质量制备至关重要。本申请项目以解决高In组分InGaN及量子阱的晶体质量差，内量子效率低问题为目标，提出基于脉冲沉积和InN嵌入法开展单一稳定相高质量高In组分InGaN材料的MOCVD制备以及在此基础上的光学性质研究，内容涉及高In组分InGaN外延生长及其动力学机理、合金行为及演化、量子阱结构设计、制备和界面控制，量子阱结构中应力演化以及InGaN及其量子阱结构中发光动力学行为等内容。本项目申请人及所在课题组近年来一直从事III族氮化物半导体材料制备和物性研究，具备良好的工作基础和实验条件。本项目的研究内容处于当前国际上III族氮化物半导体材料、物理和器件研究的前沿领域，具有重要的科学意义和应用价值。

基于高In组分InGaN的绿光发光二极管(LED)不可或缺，是发展全色LED的关键材料体系，在显示和固态照明方面具有重大应用价值，而高质量高In组分InGaN以及量子阱(对应于绿光LED)的高质量制备对器件性能具有至关重要的影响。本申请项目以解决高In组分InGaN及量子阱的晶体质量差，内量子效率低问题为目标，基于脉冲沉积和InN嵌入法开展单一稳定相高质量高In组分InGaN材料的MOCVD制备以及在此基础上的光学性质研究。项目执行3年来，我们在InGaN及其低维量子结构的MOCVD外延制备及其动力学机理，InGaN及其量子阱结构发光动力学行为方面取得了一定的进展。3年来共发表高水品学术论文5篇，申请国家发明专利1项。在国内学术会议上做报告3次，毕业硕士研究生1人，培养硕士研究生4人。取得的主要研究成果如下：.1. 摸索出了热力学边界控温法，即采用低流量慢速生长，保证In组分并入的前提下尽可能提高生长温度，提升InGaN的晶体质量，来抑制点缺陷的产生的有效途径。.2. 摸索了InN插入层对InGaN 中In并入效率和晶体质量的影响规律，表明InN插入层的引入将导致更高的In并入，确认其原因在于InN的引入能改善GaN与InGaN界面晶格失配导致的应变状态，进而消除了应变导致的pulling效应。此外也发现，采用InN插入层后，InGaN样品的XRD测试结果中没有多峰结构，表明相分凝行为被有效压制。这为解决高In组分InGaN的相分凝这一严重问题提供了思路。.3. 发展了高压慢速生长组合原则，用于制备高In组分InGaN外延材料，非常有利于获得表面平整、XRD半宽较小的InGaN外延薄膜，这对于高In组分InGaN的稳定获得具有重要的价值。.4. 发展了基于应变平衡思想的绿光波段InGaN/GaN多量子阱结构的制备方法，实现压应变和张应变的交替变化，消除量子阱中应变，进而减弱压电极化，该方案能用于获得更长发光波长的LED结构，也非常有利于“efficiency green gap”问题的解决。.5. 采用试错法系统优化温度、流量及势垒、势阱Si掺杂的匹配，实现了高质量高In组分InGaN基绿光量子阱的制备，其内量子效率(IQE)超过45%，达到国际先进水平。