多量子阱中无应变AlInGaN四元合金势垒的应变补偿结构制备及发光性质研究

氮化物AlInGaN四元合金作为发光二极管量子阱垒层材料时，通过改变Al﹑In的组分对合金带隙和晶格常数进行独立调节，可达到垒层和阱层的晶格匹配，从而极大改善量子阱结构的应变状态，减小极化效应，提升量子阱的内量子效率。但是由于Al原子和In原子在生长表面吸附和迁移行为的巨大不同，导致目前AlInGaN材料制备困难，容易出现相分离。本课题通过研究生长条件对Al、In原子表面迁移行为的影响，设计和制备原子层级短周期应变补偿结构，克服Al原子和In原子生长行为的差异，解决存在于AlInGaN材料中组分不均匀和材料无序化问题。通过能带工程和应变设计，将高度均匀的AlInGaN合金用于氮化物多量子阱的势垒，进一步避免对量子阱热损伤并抑制非辐射复合中心的产生，研究AlInGaN作为量子阱垒层时的发光机制。通过本课题的研究，可获得一种制备氮化物四元合金的新方法和提升氮化物量子阱发光内量子效率的新途径。

发光二极管（LED）具有发光效率高、成本低、工作寿命超长等特点，随着研究的深入展开，发光二极管的性迅速提高，但仍然存在许多问题，发光二极管的性能仍有巨大的提升空间。III族氮化物是六方结构，是具有强极性化的材料，异质结中存在强应变；经过往年的研究已知，III族氮化物异质结构中的强极性、大应变都是影响器件发光的重要因素，而降低器件结构中的应变和极化，有望获得高效率的发光器件。.本项目首先通过测量AlGaInP材料红黄光LED，InGaN材料多种商业LED器件的电致发光特性，分析了两种不同材料的LED在电致发光过程中表现出的不同规律，特别是极化对发光行为的作用。进行了AlGaInN材料设计和外延制备，进一步设计了超薄AlGaN/InGaN多层超晶格结构，设计出与InGaN量子阱相适应的平均晶格常数及垒层禁带宽度，将该超晶格垒层用于多量子阱结构，研究了该量子的发光特性。将该量子阱应用于小功率LED，研制出了新型多量子阱结构的LED器件，研究了LED器件的发光特性。.本项目经过4年研究，以上各项研究内容按计划完成，全面实现预期指标，达到预期目标。主要成果如下：.（1）成功获得单层厚度小于2nm的短周期AlGaN/InGaN超晶格新型AlGaInN材料，与蓝光InGaN晶格匹配的Al/In组分为4:1，具有良好的发光特性。.（2） 制备了短周期AlGaN/InGaN超晶格新型AlGaInN材料为势垒、InGaN材料为势阱的多量子阱结构。在变激发功率PL测量发光峰下无蓝移，表面形貌V-pits密度极低为4.6x105cm-2，证明该结构中晶格匹配良好，基本消除晶格失配带来的应变应力。.（3）发现四元量子阱相对于普通量子阱，很少受到极化电场的影响，表现出峰位基本不移动，较窄的半峰宽和超过一倍的发光效率。.（4）外延制备了以AlGaInN 短周期超晶格材料为垒的多量子阱LED结构，制备出小功率芯片，相对于普通量子阱LED，发光强度显著增加30%以上，证明该结构中晶格匹配良好，削弱了结构内的量子斯塔克效应，发光效率得到提高。所取得的成果对后续的高效率LED制备提供了认识基础。.（5）发表SCI收录论文14篇，发表会议论文15篇，申请发明专利6项，毕业硕士8人，毕业博士4人，获2011年中国产学研合作创新奖和2011年江苏省第三期“333工程”突出贡献奖。