摘要
以GaN为代表的Ⅲ族氮化物半导体材料（包括AlN、GaN、InN及其相应的三元合金InGaN、InAlN、AlGaN以及四元合金AlInGaN），因在光电子领域和微波器件方面的应用前景而受到广泛的关注。其中基于GaN材料的InGaN合金，通过调整合金中In的组分，使其禁带宽度可在整个可见光波长范围内可调。以InGaN/GaN量子阱作为发光有源层制备的发光二极管(LED)已经在照明以及通讯领域得到广泛应用。在现阶段，GaN基LED器件在蓝光和绿光波段已经具有很高的发光效率，其长波长的红橙光LED发光效率相比于蓝绿光LED表现很低，这是因为长波长LED需要InGaN合金中具有更高的In组分，其高铟组分InGaN/GaN量子阱结构中的势垒和势阱层之间比较大的晶格失配将导致大量缺陷产生，从而影响发光效率。如何提高高铟组分InGaN/GaN量子阱结晶质量、降低缺陷密度、制备出高光效的LED依然是当前比较大的挑战。 本论文采用MOCVD生长技术，在(0001)面蓝宝石图形衬底(PSS)上外延生长GaN基LED结构，通过优化生长条件制备出了发光波长在410nm到635nm的InGaN/GaN量子阱LED结构。其中，红光LED在正向注入电流为5～100mA时，发光波长从635蓝移到609nm，并且发光峰半高宽(FWHM)在85～91nm小范围波动，具有比较好的发光学特性。在此红光LED的基础上生长了一系列InGaN/GaN量子阱结构，并对其生长机理和发光学特性进行了研究。本论文的主要的研究内容和结果如下: LED生长方面: (1)高铟氛围下量子阱的生长温度对LED的影响。通过改变在量子阱生长过程中的势阱和势垒层的生长温度，发现，量子阱中势阱的铟组分受生长温度的影响较大，温度越低越有利于提高势阱层铟组分并入，但是会造成晶体质量的显著下降。并且，采用势阱和势垒层变温生长法在合适的温度区间内生长的量子阱相比于采用势阱和势垒层相同温度生长法而言既有助于提高势阱层铟原子的并入，又可以生长出晶体质量较好的势垒层。 (2)InGaN预应变层对生长LED的影响。经过对比在生长量子阱结构之前是否先生长一层组分渐变的InGaN预应变层，发现插入InGaN预应变层能有效提高量子阱中的铟组分并入以及得到更好的量子阱晶体质量。 (3)势垒和势阱层的生长时间对生长LED的影响。高铟氛围下生长LED结构时，通过改变势垒和势阱层的生长时间，得知势垒层生长时间不宜超过8分钟，势阱层生长时问不宜超过2分钟，否则会导致量子阱的晶体质量严重下降。 (4)量子阱生长过程中In/(Ga+In)比值对生长LED的影响。在不同的铟源和镓源的流量比下生长LED结构时，发现LED样品的PL发光波长随着In/(Ga+In)比值的增加而减小。当In/(Ga+In)比值为65.79时，LED具有最佳的黄光发光学特性以及晶体质量。 高铟组分InGaN/GaN量子阱生长方面: (1)量子阱周期数和势阱层生长时间对生长量子阱的影响。通过对比高铟氛围下生长的一系列不同周期数量子阱结构以及同一周期数不同势阱层生长时间的量子阱结构，发现表面形貌主要受量子阱周期数的影响，量子阱表面粗糙度随着周期数的增加显著增大。而随着势阱层的生长时间增加，量子阱晶体中会发生相分离现象对发光学特性产生不利影响。 (2)高铟氛围下生长量子阱的发光学特性研究。高铟氛围下生长的一系列量子阱结构，在PL测试中存在绿光和红橙光双波长发光峰特性，使用TEM测试方法发现势阱层具有两种不同形态的结构，以此为依据对这种的高铟组分双波长结构LED的发光机理进行了诠释。 本论文对高铟组分InGaN/GaN量子阱及其LED结构进行的生长与特性研究对生长GaN基长波长LED提供了比较有效生长方法，对量子阱生长机理以及发光学特性的研究具有重要的指导意义，为GaN基长波长LED的应用起到了积极作用。
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