面向新型绿光发光器件的非极性InGaN量子点材料生长技术研究

Non-polar InGaN quantum dots (QDs) are expected to offer substantial advantages: very low defect density, high Indium content, no polarization effect, which have been suggested to be very promising candidates for efficient luminescence in yellow-green emission. However, due to the difficulty of growing InGaN QDs with controlled shape and uniform particle size, most of these advantages have not yet been proven in real devices. In this project, the introduced InGaN/GaN interlayers play a crucial role in controlling the stress states of the non-polar GaN template. Non-polar InGaN self-organized QDs can be grown in the Stranski–Krastanow mode upon the GaN template. Based on this, we will fabricate non-polar InGaN QD LEDs. At the same time, we will also investigate the effects of InGaN QDs size, shape and epitaxial growth conditions on the output performances of InGaN QD LEDs. The quantum confinement effect and the space charge limited effect of the non-polar InGaN QD LEDs will be uncovered.

非极性InGaN量子点材料具有缺陷密度低、In组分高、无极化效应等优点，在黄绿光区实现高效发光极具潜力。然而由于存在均匀性差及不可控制备等困难，非极性InGaN量子点材料研究还有很长的路要走。本项目采用InGaN/GaN弱键合层来调控非极性GaN模板的应力状态，通过应力诱导使非极性InGaN量子点材料按照Stranski–Krastanow模式自组织可控生长，并试制绿光波段非极性InGaN量子点LED器件。同时研究非极性InGaN量子点结构对发光性能的影响机理，揭示非极性InGaN量子点的量子限制效应和空间电荷限制效应。

InGaN 量子点对于提高发光二极管器件（LEDs）的发光波长和发光效率等性能具有重要意义，而非极性III族氮化物材料则可以消除极化效应产生的内建电场，提高器件的发光效率，稳定了器件的发光波长。本项目将两者的优势结合起来，围绕非极性InGaN量子点材料，以及长波长LEDs器件展开研究攻关。取得的研究成果如下：(1)采用InGaN/GaN弱键合层，制备出了结晶质量优良、表面平整、应力可控的非极性GaN材料模板。高分辨x射线衍射测试显示，非极性GaN模板的应力状态呈现各向异性。(2) 研究了 InGaN 浸润层应力状态的演变过程，探索了 InGaN 量子点的S-K模式生长。更进一步研究了生长温度、NH3流量、TMIn 流量、退火(环境、时间、温度)等对量子点生长的影响，从而实现对InGaN量子点尺寸、组分、分布均匀性和密度的控制。(3) 最后尝试制备InGaN量子点LED外延片，并研究了InGaN量子点结构、组分等对LEDs发光性能的影响。设计和成功生长出蓝绿光到红橙光波段的InGaN量子点LEDs外延片并且加电可以直接发光。