InGaNGaN多量子阱LED電致發(fā)光譜中雙峰起源的研究

1、第!"卷!第#期!$#年#月半!導(dǎo)!體!學(xué)!報(bào)%&'()*)+,-.(/0,1*)2'%,(3-%4,.*5678!"!(68#!$#+97:󰀤!"J3SJ3S多量子阱B>9電致發(fā)光譜中雙峰起源的研究"QPPPP!P陳志忠P󰀡!徐!科!秦志新!于彤軍!童玉珍!宋金德!林!亮劉!鵬P!齊勝利P!張國義P"#P北京大學(xué)物理學(xué)院人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室!北京!P$"#P"#!江蘇伯樂達(dá)光電科技有限公司!鹽城!Y$!摘要󰀡研究了2,&的結(jié)

2、構(gòu)和發(fā)光特性8%53生長的具有雙發(fā)射峰結(jié)構(gòu)的'JWF(WF(多量子阱發(fā)光二極管"0)3#在透射電子顯微鏡"下可以發(fā)現(xiàn)量子阱的寬度不一致!電致發(fā)光譜"發(fā)現(xiàn)了位于!4)2#)0#_YZ>5的綠光發(fā)光峰和Y!隨著電流密度增加!雙峰的峰位沒有移動!直到注入電流密度達(dá)到!gP&時(shí)!綠!_"P>5處的藍(lán)光發(fā)光峰8$I/?I而藍(lán)光發(fā)光峰沒有變化8單色的陰極熒光譜"發(fā)現(xiàn)綠光發(fā)射對應(yīng)的發(fā)光區(qū)包括絮狀區(qū)域和光發(fā)光峰發(fā)生藍(lán)移!%0#發(fā)光點(diǎn)!而藍(lán)光發(fā)射對應(yīng)的發(fā)光區(qū)僅包含絮狀區(qū)域8通過以上的結(jié)果!我們認(rèn)為藍(lán)光發(fā)射基本上源于'JWF(量

3、子阱發(fā)光!而綠光發(fā)射則起源于量子阱和量子點(diǎn)的發(fā)光8關(guān)鍵詞󰀡氮化鎵'發(fā)光二極管'多量子阱'透射電子顯微鏡'電致發(fā)光譜'陰極熒光譜<)66$#"O$1'#"O$&'"PPZ&中圖分類號󰀡4󰀢󰀣(R$Y_!dR!文獻(xiàn)標(biāo)識碼󰀡/!文章編號󰀡$!ZRYP#!$#$#PP!P$YP!$PO)雖然局域輻射復(fù)合機(jī)制已經(jīng)有一些文獻(xiàn)報(bào)道(8激子發(fā)光的觀點(diǎn)已被普遍接受!但是確切的機(jī)制仍有許多爭論!特別是在電注入的情

4、況下!發(fā)光的機(jī)理還需進(jìn)一步的研究8本文報(bào)道了2,%53生長出雙發(fā)射峰的樣品8并用透射電子顯微鏡"/電致4)2#發(fā)光譜"/陰極熒光譜"研究了雙發(fā)射峰的)0#%0#發(fā)光機(jī)理8得到發(fā)光起源于量子阱和量子點(diǎn)的觀點(diǎn)8C!引言+族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)光的起源目前)P$O可以接受的觀點(diǎn)是!由于'還存在著爭議(8J組分不均勻或富'J量子點(diǎn)而被限制的激子發(fā)光起著)!至關(guān)重要的作用(這些隨機(jī)局域化的激子避免了8()在高密度的缺陷區(qū)域的復(fù)合8&FJ7>N><等人O還K發(fā)現(xiàn)了位錯區(qū)域存在能量勢壘!阻礙載流子在該處的復(fù)合8眾所周知!'J

5、(和WF(之間巨大的混溶隙()使得'因?yàn)閃JWF(合金在化學(xué)上很不穩(wěn)定#8F(在'J(中的溶解度小于Zc!'JWF(單層較穩(wěn)定的存在方式是富'J的量子點(diǎn)掩埋在低'J含量的'J()但是!在存在應(yīng)力的情況下!這種完WF(介質(zhì)中"8全分凝的情況并不多見!特別是在通常的'&JWF(純的'WF(量子阱中!J(量子點(diǎn)幾乎不可能發(fā))!P$生(另一方面壓電極化和自發(fā)極化將在'&8JWF(P)在目前的報(bào)道中!WF(量子阱區(qū)域形成大的電場P8因?yàn)楦?#39;其形狀也不規(guī)則!所以J量子點(diǎn)的尺寸較小!(!)要得到確切的量

6、子點(diǎn)的'這J組分和形狀很困難P8)Y些結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性!再加上勢壘和表面處電荷輸運(yùn)(!使得'JWF(量子阱中的輻射復(fù)合十分復(fù)雜8目前關(guān)于相分離和壓電效應(yīng)影響的量子阱中的批準(zhǔn)號$#O$Y$O$#"國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目"$Q通信作者8)IFN7SS?E>J!Ba98>C98?J$OP!PO收到!$#$R$#定稿!D!實(shí)驗(yàn)&#用'JWF(WF(多量子阱發(fā)光二極管"0)3A&/X4!$&42,%53系統(tǒng)生長8Z個'JWF(壘和阱WF(量子阱被包在J型和B型WF(之間8的生長溫度均為#預(yù)計(jì)阱的寬度會影響&#

7、39;"$8J從而改變發(fā)光WF(阱內(nèi)的能級位置以及應(yīng)力情況!波長8所以為了生長多波長的0在阱的寬度上)3!做了改動80)3芯片的制備按照標(biāo)準(zhǔn)的工藝進(jìn)行8通過X射線衍射"和盧瑟福背散射"#結(jié)X.3#.M*果可以推斷量子阱中的應(yīng)力沒有完全弛豫8剖面的4拋光!最后用離)2樣品是通過研磨/子減薄得到電子可以透過的薄樣品84)2觀察是在工作電壓為R4>?JFN1R$上進(jìn)行的!$a58)0譜是通過一個探針臺和一個%不%3光纖光譜儀得到!$#中國電子學(xué)會"!半!導(dǎo)!體!學(xué)!報(bào)第!"卷圖P!雙峰結(jié)構(gòu)的'JWF(&WF(多量子阱0)3的明場

8、4)2照片"F#和高分辨照片"D#1NK_P!M<NKELN>7C4)2"F#FJC&.4)2"D#NIFK>A6L'JWF(&WF(2hU0)3NEC69D7>>INAAN6JB>FaA斷改變注入電流!得到不同注入情況下的)0譜80譜則在WFJFJ公司商用的26J6%0R上室溫下測量得到!%0譜儀安裝在+),0+*2O#$1上8!結(jié)果與討論圖P是雙峰結(jié)構(gòu)的'JWF(&WF(多量子阱)3的明場4)2照片和高分辨照片8從圖P"F#可以觀察到在BWF(和JWF(之間有Z個量

9、子阱!量子阱的平均周期為PR_PJI8和一般的量子阱結(jié)構(gòu)不同的是!圖P的每個量子阱的阱寬和壘寬都不相同!其中離JWF(層的第P!R!Y個量子阱的寬度為R$YJI!而!Z量子阱較窄!為!JI左右!勢壘為中間兩個較寬!而靠近P!Z阱的壘則較薄8量子阱里黑色的點(diǎn)狀物表示'JWF(發(fā)生了部分相分離!這將引起周圍應(yīng)力的變化!從而表現(xiàn)在壘中也存在黑色的襯度8從圖P"D#高分辨像中觀察到寬阱中的JWF(發(fā)生了相分離!形成了類量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)!如白色箭頭所指8圖!是不同注入電流密度下的)0譜!圖中可以看到明顯的雙峰!峰位分別位于!_YZ和!_"P>58在注入電流密度小于Z$I/&

10、amp;?I!之前!僅看到綠光發(fā)光峰8當(dāng)電流密度大于Z$I/&?I!之后!藍(lán)光峰出現(xiàn)并迅速增強(qiáng)8在電流密度為PY!I/&?I!時(shí)!藍(lán)光峰的強(qiáng)度超過綠光峰8在高注入的條件下!藍(lán)光峰在)0譜中占主導(dǎo)地位8在低電流密度條件下!只有綠光發(fā)光的原因是多量子阱中存在較寬的量子阱或存在量子點(diǎn)!這些結(jié)構(gòu)的能隙寬度小!其導(dǎo)通電壓較小便能發(fā)光!而能隙寬的部分其導(dǎo)通電壓也高!所以在低電流密度條件下!只能看到綠光發(fā)光8當(dāng)注入電流密度增加時(shí)!阻礙電流的勢壘降低!窄阱開始發(fā)光!并且因?yàn)閴弘娦?yīng)引起的量子限制斯塔克效應(yīng)的減弱!窄阱的復(fù)合效率迅速提高!藍(lán)光峰迅速增強(qiáng)'但是對寬量子阱而言!電子/空穴波函

11、圖!不同注入電流下WF(&'JWF(多量子阱0)3的)0譜"雙峰的峰位分別位于!_YZ和!_"P>5#1NK_!)0AB>?<F6L'JWF(&WF(2hU0)3NECNLL><>JNJ=>?N6J7>H>7!369D7>B>FaANJ)0AB>?<F?FJD>6DA><H>CF!_YZ!_"P>5!<>AB>?NH>7:8數(shù)在空間分離更遠(yuǎn)!其復(fù)合幾率隨電流密度增加的效果要慢很多!同時(shí)富'J量子

12、點(diǎn)的發(fā)光面積也小得多!所以藍(lán)光強(qiáng)度增加比綠光快!最終藍(lán)光起主導(dǎo)作用8圖R顯示的是)0發(fā)光峰的峰位和強(qiáng)度隨注入電流密度變化關(guān)系8圖R"F#中綠光峰的發(fā)光強(qiáng)度幾乎是隨著電流密度增加而線性增加!而藍(lán)光峰則先迅速增加!接著趨向飽和8從小注入開始!隨電流密度增加!兩發(fā)光峰的強(qiáng)度差異先減小后增加!當(dāng)電流%E0'第#期陳志忠等 JWF(WF(多量子阱0)3電致發(fā)光譜中雙峰起源的研究!'#&'成絮狀的發(fā)光圖像8因?yàn)?0的空間分辨率大約在"在% 中幾個JO$"$JIP0譜中區(qū)分出圖PD I的量子點(diǎn)的位置是不可能的8量子點(diǎn)的大小和形狀在4進(jìn)一步的

13、9;)2照片中也不很清楚 JWF(多量子阱內(nèi)結(jié)構(gòu)和能帶特征的研究目前還在進(jìn)行之中8I!結(jié)論圖Y!攝于波長Z!OJI F 和YZ$JI D 單色%0譜1NK_Y!26J6?E<6IFN?%0NIFK>AFa>JFE>FH>7>JKE6LZ!OJI F FJCYZ$JI D 密度增至P$YI/ ?I!后再減小8圖R D 中藍(lán)光峰的峰位在整個注入范圍內(nèi)幾乎不變 綠光峰在小于gP$YI/ ?I!條件下不變 大于該值時(shí) 則發(fā)生藍(lán)移 同時(shí)還出現(xiàn)多個發(fā)光峰8上述對圖!的解釋已經(jīng)部分解釋了兩個發(fā)光峰強(qiáng)度的演變 對最后的隨著注入的增加強(qiáng)度差的減少可以解釋為 焦耳熱對量子阱的限

14、制作用的影響大于對量子點(diǎn)的影響 因?yàn)榱孔狱c(diǎn)對激子的束縛能較大 不易受焦耳熱影響8藍(lán)光強(qiáng)度的飽和是因?yàn)榻苟鸁崾沟媒Y(jié)溫增加 降低了量子阱的內(nèi)量子效率8眾所周知 從量子阱中發(fā)出的光將隨著注入電流密度的增加而藍(lán)移 Z這基于兩個方面的原因 P 富'J區(qū)域局域態(tài)的填充 !壓電場的載流子屏蔽效應(yīng)8但是在低注入條件下 我們發(fā)現(xiàn)兩個峰都沒有藍(lán)移8這主要是因?yàn)榇嬖谀撤N紅移的補(bǔ)償機(jī)制 或者壓電場被轉(zhuǎn)移電荷所調(diào)制 Y8大的電流密度導(dǎo)致的結(jié)溫升高是峰值紅移的一個原因 PZ8因?yàn)榱孔狱c(diǎn)的激子束縛能大于量子阱 所以量子點(diǎn)導(dǎo)致的綠光峰受結(jié)溫的影響 %P$I>5 較小而量子阱導(dǎo)致的綠光峰則受結(jié)溫的影響較大 因此在

15、大注入條件下 受量子點(diǎn)決定的綠光峰發(fā)生藍(lán)移 而量子阱決定的綠光峰移動較少 這樣就導(dǎo)致綠光多峰的出現(xiàn)8而藍(lán)光峰紅移和藍(lán)移的效果基本等價(jià)所以其峰位基本不變8'JWF( WF(多量子阱0)3的%0譜綠光峰和藍(lán)光峰分別位于Z!O和YZ$JI 相比)0譜均有紅移8這是因?yàn)?0的注入密度較低 載流子復(fù)合首先發(fā)生在勢能最低點(diǎn) 從而導(dǎo)致發(fā)光峰位的紅移8圖是單色的%0照片 圖Y F 的攝像波長為Z!OJI對應(yīng)綠光發(fā)射 我們不但發(fā)現(xiàn)有絮狀的充滿整個照片的發(fā)光 還發(fā)現(xiàn)明亮的點(diǎn)狀發(fā)光8結(jié)合上面的討論 我們認(rèn)為它們分別來自于寬阱和量子點(diǎn)8而Z$JI的圖像只發(fā)現(xiàn)有絮狀的發(fā)光該發(fā)光僅來自JWF(量子阱發(fā)光8我們認(rèn)為

16、絮狀物是量子阱中JWF(發(fā)光所致 因?yàn)?#39;JWF(在應(yīng)力作用下不完全相分離 導(dǎo)致存在'JWF(局部組分高的區(qū)域另外 %EN?END9等人 P#提出了'JWF(阱中存在非輻射復(fù)合中心以及'J(型鏈的結(jié)構(gòu)這同樣也會形本文對雙發(fā)射峰樣品進(jìn)行了4)2%0 )0譜的測量8雙發(fā)射峰樣品的量子阱的寬度不一致 在%0譜中我們發(fā)現(xiàn)了發(fā)光點(diǎn)和大面積絮狀發(fā)光結(jié)合)0的結(jié)果我們認(rèn)為綠光發(fā)射來源于多量子阱中的寬阱和量子點(diǎn) 而藍(lán)光發(fā)射來源于窄量子阱的發(fā)光8參考文獻(xiàn)P !%EN?END9*1 /DF<>/% 2NJAa:2*>F78)LL>?NH>DFJCKFBN

17、JE6I6K>J>N:FJCBN>S6>7>?<N?LN>7CNJ'JWF( WF(I97Nf9FJ9I>77A<9?9<>A8/BB7;E:A0> P" #R !$O ! !(FaFI9<F*84E><67>A6LA<9?9<F7NIB><L>?N6JANJ'JWF(DFA>CD79>7NKE>INNJKCN6C>AFJC7FA><CN6C>A8*?N>J?> P" !"

18、;P ZOR !, 36JJ>77G; 2F<NJ.U 2NCC7>6J;W8,<NKNJ6L79INJ>A?>J?>L<6I'JWF(CN6C>A8;E:A.>H0> P "! !R# Y !M><a6N?A) W><AE6JN3 MFEN<W >F78,BN?F7AB>?<6A?6B:6L'JWF( WF(f9FJ9I>77A8;E:A*F9A*67NCNM P !PO !PZ !G96aANA) WFAaF. *E9<2* >F78

19、46I>?EFJNAIA6LD79>AENL6L>CK>>INAAN6JNJ'JWF(DFA>C>BN7F:><AFJCI97NB7>f9FJ9I>77A8/BB7;E:A0> !$! "$ O # O !&FJK7>N></ &NS>71 (>S>7% >F78*9BB<>AAN6J6LJ6J<FCNFNH><>?6IDNJFN6JD:5AEFB>CBNANJWF'J( WF(f9FJ9I>

20、77AB<6C9?>AF7F<K>NJ?<>FA>NJE>7NKE>INAAN6J>LLN?N>J?:8;E:A.>H0> !$Z Z P!#Y$! # !&6'& *<NJKL>776WM8*67NCBEFA>NIINA?NDN7N:NJWF'J(8/BB7;E:A0> PO O !#$P " !0NJT* 2FG+ &A9% >F783>B>JC>J?>6L?6IB6ANN6JL79?9FN6J6JNJCN9I

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24、PPZ!YY''#&(半!導(dǎo)!體!學(xué)!報(bào)第!"卷PR<NJNHFAFJ*M><<FI1 M>77/ >F7806*6a>AAENLNJ!*EN?aFJCE6I6>J>69A'JWF(>N7F><A8/7;EA0>KB:BB:!$! "$ ZZ$PY<FJ%/ GF<7N?>a.1+<*?E9<IFJ2 >F78;EFA>A>F<F!4BN6JNJ'JWF(WF(I97N7>f9FJ9I>77A

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26、N?E*.N?E3& EFJ>F784>I><F9<>C>!GKX B>JC>J?>6L>V?N6JN?<>?6IDNJFN6JNJ7F><F7>NFVNF77BB:6H><<6J'JWF(WF(f9FJ9I>77AA9CN>CNE?FEK6C679INJ>A?>J?>8+/7;EA!$Y ZYP"R!BB:P#EN?END9*1 ->C6J6/ ,J9IF48,<NNJ6LC>L>?NJA>JA

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28、t;+,44,("<&3P4,">$&'*0($%+,"&4'&"'&&'*0%+15#0(+!"J3SJ3S:OB>9"P QPPPP!h T 4 * %E>JENSE6J9G>NJENVNJ946J9J6J9SE>J6JNJC>K XK=KTK+PPPPF0NJ0NFJN9;>JN*E>J7NJCEFJ96NK 0K hKKW:P)%)"!"%&'(%)'

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