堆垛层错对半极性和非极性InGaN基LED光电性能的影响研究

Improving the luminescence efficiency of lighting emitting diode (LED) is a focus in the research of III-nitrides. Semi-polar/Non-polar InGaN/GaN quantum wells have an advantage of reducing the influence from piezoelectric fields, and hence improving the internal quantum efficiency of devices. However, basal stacking faults are widely observed in hetero-epitaxial semi-/non- polar nitrides. In addition, there is a band offset around BSF. Thus, it is necessary to investigate the impact of BSFs on carrier behaviors in InGaN-related quantum well. In this project, a top down method is employed to fabricate an array of InGaN/GaN micro-rods with a gradient change in BSF density. By comparing the optical properties between the micro-rod with and without BSFs, the influence of BSFs on carrier localization in non- (semi-) polar InGaN/GaN quantum well will be investigated. Furthermore, electrodes will be fabricated on single micro-rod to investigate the carrier dynamics with the change of band offset level around the BSF. This work will facilitate the improvement of quantum efficiency in non- (semi-) polar nitride-based LED, and will be helpful to the study of stacking faults in other materials.

提高LED的发光效率一直是III族氮化物领域研究的重点，半极性/非极性方向的量子阱结构可以降低内建极化电场的影响，提高器件内量子效率。然而堆垛层错却在异质外延的半/非极性氮化物中普遍存在，探究量子阱中堆垛层错界面处能带偏移对LED光电性能的影响规律，对于提高LED的发光效率具有重要意义。本项目拟采用微纳加工技术制备具有BSF密度梯度的半极性/非极性InGaN基LED的微米柱阵列；重点考察没有BSF的微米柱的光学性质，并与含有BSF的微米柱对比，研究BSF对量子阱内激子局域化的作用机制；制备金属薄膜电极，分析BSF界面不同强度的能带偏移与量子阱内载流子动力学特征之间的关联规律。揭示面位错对载流子输运/复合的影响规律，有助于提高半极性/非极性氮化物LED的发光效率，同时也为研究堆垛层错在其他材料体系中的影响提供参考。

沿半极性和非极性方向构建的InGaN/GaN量子阱结构可以有效减少，甚至消除内建极化电场的负面影响，表现出低波长偏移、短载流子寿命、高色稳定性等特点，在普通照明、近眼显示和可见光通信等领域中具有巨大应用潜力。研究堆垛层错对半极性和非极性面InGaN基LED光电性能的影响，对于提高LED的发光效率具有重要意义。本项目研究了基于微米柱衬底模板过度外延的氮化物中缺陷的分布特征，阐明了层错作为辐射复合中心对有源层发光性质的影响规律；揭示了与层错伴随的偏位错成为非辐射复合中心，从而降低载流子的复合效率的内在联系。研究了基于图案化衬底模板选区外延的氮化物中缺陷的抑制方法，掌握了高质量半极性（20-21）面量子阱结构的外延手段，实蓝光到绿光波段样品的可控生长，其中生长的460 nm波长的半极性（20-21）面样品的内量子效率高达52%，载流子寿命0.22纳秒，性能得到显著提高。研究了半极性（20-21）面量子阱中晶体结构和光学性质的各向异性，探究了缺陷分布和偏振度随组分增加的变化规律。实现了具有高光效、低色漂移的半极性面白光二极管的结构设计；实现了半极性面二极管的表面空间光场可调控的结构设计。基于本项目，取得了一系列原创性的成果，以第一或通讯作者发表期刊论文2篇，撰写专著章节1篇（18千字），申请发明专利2项，并与相关机构建立深度合作关系，大力推广基于半极性面的氮化物产品。项目的实施为提高半极性面氮化物晶体质量开辟了新思路，对促进半极性面氮化物在商业领域的应用具有重要推动作用。