针对绿色激光器的InGaN量子点生长与性能调控

In this project, for the application in green semiconductor laser diodes, the meterials growth of InGaN quantum dots by metalorganic chemical vapor deposition are investigated. The high quality InGaN quantum dots will be obtained, on the basis of studying and clarifying the details about the growth mechanism and the physical properties. Firstly the effect of growth parameters on the InGaN quantum dots formation are researched, especially the influence of thermal mismatch and local stress on the InGaN quantum dots growth are discussed, the corresponding growth model will be established. Then the method about the InGaN quantum dots with high uniformity and density are discovered, and the In content and size of InGaN quantum dots could be controlled, at the same time, the physical properties of InGaN quantum dots are analyzed. Finally , after the fabrication of light-emitting diodes or laser diodes, the electro-luminescence of InGaN quantum dots are measured, the physical mechanism will be better understood after studying the process of carriers injection, transport and capture in the device. Furhtermore, the application in the green laser diodes are investigated, where the InGaN quantum dots are employed as the active layer. The research results will provide fundamental materials for the realization of InGaN quantum dots related green laser diodes.

本项目是针对绿色激光器的需求，研究InGaN量子点的MOCVD生长机制，阐明相关物理特性，获得高质量的InGaN量子点材料，并研究InGaN量子点在绿色激光器的应用，实现性能调控。研究生长参数对InGaN量子点生长的影响，揭示热失配和局域应力对量子点形成过程的影响机制，建立InGaN量子点的MOCVD生长动力学模型；掌握高均匀性高密度InGaN量子点结构的制备方法和技术，实现在组分、尺度和密度方面的可控生长；研究InGaN量子点材料的物理性质，发展相关的性质检测技术；研究载流子注入、输运、捕获等过程，澄清InGaN量子点电注入发光机理，并进行激光器生长和制备，研究并解决InGaN量子点作为有源区在绿色激光器的应用问题。本项目的研究最终为基于InGaN量子点的绿色激光器奠定关键材料基础。

InGaN量子点材料在绿光激光器中有重要应用。我们先研究InGaN单层材料生长，再研究InGaN量子阱材料生长，发现了很多物理机制，又揭示了量子结构局域态（类量子点）的发光机理及droop效应，最后制备出绿光InGaN量子点材料。.In原子的并入是InGaN材料首先要解决的问题，我们研究了In原子的解吸附、Ga原子的非故意并入、In组分的饱和现象，发现高质量的InGaN生长需要有合适的生长温度、生长速率和In/Ga比；我们研究了NH3流量对InGaN量子阱的生长影响，一般认为增加NH3流量认为可以抑制InN分解，从而增加InGaN材料中的In组分，然而我们发现，NH3会分解出H2，从而腐蚀了In原子，过大的NH3流量，反而会造成InGaN中In的组分的降低，主要是合适的NH3流量才有利于高质量的InGaN量子结构材料生长；由于InGaN与GaN材料的最佳生长温度不同， GaN垒层通常采用较高温度生长，然而这会使InGaN阱层（或量子点层）在升温的过程中发生分解，降低量子阱层的In组分，我们在量子阱生长完后生长一层低温GaN保护层，研究其厚度对量子阱（量子点）In组分及量子阱质量的影响，并通过优化生长过程，实现了高质量、高In组分InGaN/GaN量子结构材料的生长；我们调控了InGaN 量子阱/量子点（QW/QD）材料的局域态（类量子点），发现当QW较厚时，由于阱内应力增强，抑制了InGaN合金的调幅分解作用，In组分的波动效应减弱，从而减少了深局域态的形成，我们还发现，量子结构内的非辐射复合是造成droop效应的重要原因；我们进一步发现，外延生长速率的加快，更容易形成InGaN三维岛状结构的形成，提高了In的并入效率，也有利于增大量子点材料内的平均In含量，从而更易于获得高In组分的InGaN量子点材料。.在上述研究结果的基础上，我们最终获得了发光波长在515nm附近的绿光InGaN量子点材料。同时，我们加深了InGaN量子结构材料的理解，并研制出寿命超过1000小时的蓝光激光器。