基于MOCVD技术的自组装绿光InGaN量子点发光机理研究

High-performance green semiconductor light-emitting devices, are currently research hot topic both domestically and internationally, and the use of InGaN quantum dots as the active layer materials can significantly improve the devices characteristics. This project is aimed at the demand of high-performance semiconductor green devices. Study the influence of structure of self-assembled green InGaN quantum dots on the luminescence properties, reveal its luminescence mechanism, and set up the corresponding luminescence model. We use the metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) technology to fabricate InGaN quantum dots with different structural parameters and the luminescence wavelength in the range of 500-580nm. The material structure and physical properties of InGaN quantum dots are studied by using various macroscopic and microscopic examination techniques and the physical mechanism of the impact of material structure on the luminescence properties is analyzed. The localized stress and crystal defects are studied, and their effect on the luminescence properties of the quantum dots is analyzed. The luminescence mechanism of optical injection and electric injection of quantum dots is clarified, and a quantum dot luminescence model, including injection, transport, capture, leakage and recombination of charge carriers, is established. The research results of this project will provide an important theoretical basis for the development of high-performance green GaN based light-emitting devices.

高性能的半导体绿光发光器件是当今国内外研究的热点与前沿，而采用InGaN量子点作为有源区材料，可以显著提升绿光器件的发光性能。本项目针对高性能半导体绿光器件有源区的需求，研究自组装绿光InGaN量子点的发光机理。我们利用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术制备发光波长在500-580nm范围内的绿光InGaN量子点样品；利用SEM、TEM、EL、PL、DLTS等表征与检测手段，揭示量子点的材料结构对其发光特性的影响规律；阐明局域应力对量子点生长动力学过程以及发光性能的影响机制；研究绿光量子点体内晶体缺陷的产生和演化，并分析缺陷形成的深能级中心对载流子的俘获和非辐射复合等物理过程；澄清量子点的光注入与电注入发光机理，建立一个包含载流子的注入、输运、捕获、逃逸、泄漏以及复合等物理过程的量子点发光模型。本项目的研究结果将为高性能绿光GaN基发光器件有源区材料的研制提供扎实的理论基础。

高性能的半导体绿色发光器件是当今国内外研究的热点与前沿，而采用InGaN量子点作为有源区材料，利用量子点能够屏蔽位错和减小极化等优点，可以显著提升GaN基绿光材料的发光效率，并有望获得高性能的半导体绿光发光器件。.本项目针对高性能半导体绿光器件的需求，研究自组装绿光InGaN量子点的发光特性及其机理。我们利用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术制备了高In组分的InGaN量子点材料，综合利用各种宏观及微观检测手段，研究了不同生长条件下获得的InGaN量子点的材料结构、物理性质和光电性能，并进行了深入的分析。主要研究的内容包括：①量子点物理性质的表征与分析；②量子点的光注入和光注入发光过程；③表面效应和局域应力对绿光量子点发光性能的影响及其机理；④量子点内晶体缺陷的产生及其对发光过程的影响机制。.在项目研究过程中，通过细致的实验观察和深入的理论分析，我们提出了InGaN量子点的表面吸附/脱附模型，揭示了表面吸附过程对InGaN量子点发光特性的影响机制；此外，我们还发现随着生长速率的增加，生长过程中表面原子的排列和分布的不均匀性会增大，随机沉积的表面吸附In原子由于迁移能力较弱不太可能到达生长表面的最佳位置，从而导致In含量的不均匀分布，使得InGaN量子点中In含量的分布会变得非常不均匀，而载流子在不同深度的量子点之间的迁移过程，有助于提高InGaN量子点的发光效率。最后，我们还揭示出GaN势垒层中产生的光生载流子对InGaN量子点的发光特性的影响机理，因此我们认为在分析和研究InGaN量子点材料的光荧光特性时，有必要考虑GaN势垒层对量子点发光特性的影响。.总之，本项目的研究揭示了量子点结构参数对其发光特性的影响规律；阐明了表面吸附、量子点内局域应力和晶体缺陷等对绿光量子点发光性能的影响机制；澄清了量子点的光注入发光机理，建立了一个包含载流子的产生、迁移、输运、捕获、逃逸以及复合等物理过程的量子点发光模型。本项目的研究结果将为高性能绿光GaN基发光器件有源区材料的研制提供重要的理论依据和实验基础。