mocvd生长algainp和ingaasgaasp应变补偿多量子阱及其器件分析

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1、摘要摘要本论文在能带工程的基础上，采用理论计算与实验基础相结合，用先进的MOCVD夕I"延生长技术设计和生长了应变补偿多量子阱(SCMQW)结构材料，尝试把SCMQW结构引入到发光二极管中，拓宽了发光二极管的发光波长范围，优化了器件的性能。而发光二极管由于具有直流供电、耗电少、体积小、适应温度范围宽、寿命长、结构简单等优点，从照明到光纤通讯系统中都有着广泛的用途。制作的应变补偿多量子阱结构的红外发光二极管和可见光发光二极管达到实际应用的器件水平，具有一定的实用性和创新性。本论文采用应变平衡的思想，进行了四元系A1GalnP高亮度可见光发光二极管和In

2、GaAs／GaAsP近红外发光二极管的外延材料结构设计、MOCVD材料外延生长及器件制各等方面开展了一系列研究工作。全文共分为六章，简单阐述了超晶格量子阱的分类及其物理性质、MOCVDg[-延生长技术的基本原理；对应变微扰理论进行了介绍及其在应变补偿多量子阱中的应用；从理论和基本原理开始，提出了提高AIGalnP高亮度发光二极管外延材料和器件发光性能的应变补偿MQW的结构设计思想：并以此提出940nm近红外发光二极管采用InGaAs／GaAsP应变补偿MQW作为有源层的设计思想，通过实验证明，这些新思想和新结构，可有效地提高LED的发光效率和稳定性，

3、取得了良好的器件结果。由于计算机精密控制的MOCVD、MBE先进的原子层外延生长技术的不断发展和完善，为能带工程的研究提供了坚实的物质基础。而应变补偿多量子阱就是近几年在“能带工程”的基础上，提出的新概念，根据应变平衡的思想，可以设计新材料体系和制备新型器件。SCMQW不仅能调节量子阱层材料内的应变、晶格常数和能带结构，也能调节量子垒层材料的相应性质，增加了人们选择材料的自由度，使人们对量子阱结构的能带剪裁更加灵活，更加有效，而且不用担心应变释放产生的大量失配位错造成材料性能的破坏，因为应变补偿效应大大地增加了应变层的临界厚度，提高了量子阱外延材料的

4、晶体质量和器件性能。这对于有源层需要的量子阱个数很多以达到最佳器件性能的半导体光电器件来说非常有意义，如长波长的MQwI山东大学博士学位论文光调制器和MQW光探测器、太阳能电池、发光二极管等。因此人们根据应变平衡的思想，引入应变补偿多量子阱结构作为其有源层，在量子阱界面两侧的量子阱层和量子垒层中的原子由于晶格不匹配所分别受到的伸张力和压缩力在量子阱这样的薄层可以维持在弹性限度的范围内，只是由于两种力的补偿结果调整出一个新的共同的晶格常数，界面晶格常数的改变也会导致垂直界面的方向上晶格常数的相应变化，导致材料内部能带结构的改变。通过调节量子阱和量子垒材

5、料的组分和晶格常数，完全可以制备出局部存在应变而整个结构的晶格常数与所选衬底的晶格常数相匹配的应变补偿多量子阱材料体系，这种可调节的结构可以重复生长至所希望的厚度而不会产生应变释放。因此大大提高了外延层的质量和器件性能。采用应变理论和￡。5微扰理论设计和计算了SCMQW结构的带边能带结构，用单量子阱近似，计入量子阱层和量子垒层内的应变引起的量子阱能带结构的改变，采用4×4Luttinger-Kohn哈密顿量并对其进行块对角化，最后化成求解k。=0处简单的薛定谔方程来得至Ⅱ量子阱带边的能带漂移。该方法计算简单，意义明确，为本论文设计和制备SCMQW发光

6、二极管提供了理论基础。四元系AIGalnP高亮度发光二极管在全色大屏幕显示、照明和指示灯、光纤通信系统中的广泛应用，使其成为被受关注的材料体系和器件之一。用MOCVD方法在生长和制备AIGaInP高亮度发光二极管的基础上，由于量子尺寸效应，无应变GalnP量子阱的发光波长在630nm左右。为了获得性能优良的长波长(650rim)及短波长(570nm)外延材料和器件结果，在有源区内尝试采用应变补偿多量子阱结构。利用应变补偿效应和量子尺寸效应，使有源层在量子阱个数很多的情况下仍保持很高的外延层质量，多量子阱结构的有源层能减小发光二极管的自吸收造成的内量子

7、效率的降低，而且量子阱个数的增加会减少载流子向限制层的泄露，增加载流子的发光效率，提高输出功率和发光效率，特别对短波长A1GaInPLED来说，降低了有源层A1的含量，从而降低非直接能带的影响和氧掺入，提高了载流子的注入效率和增加了辐射复合效率。通过双晶x射线衍射、光荧光谱、电化学c—V等测试手段对外延片进行了表征，证明外延生长质量、掺杂、发光波长等都符合设计要求，经过管芯工艺制备了AlOalnP发光二极管。通过电致发光谱，光强测试等表明制备的管芯符合器件性能要求。实验结果表明，对于650nmLED，量子阱有源层的平均应变摘要控制在lO。3以下。晶体

8、质量良好，650nm红光LED的裸管亮度达到了70mcd，得到了很好的器件结果。对于570rimLED，采用