InGaNGaN多量子阱LED电致发光谱中双峰起源的研究

1、第!"卷!第#期!$#年#月半!导!体!学!报%&'()*)+,-.(/0,1*)2'%,(3-%4,.*5678!"!(68#!$#+97:󰀤!"J3SJ3S多量子阱B>9电致发光谱中双峰起源的研究"QPPPP!P陈志忠P󰀡!徐!科!秦志新!于彤军!童玉珍!宋金德!林!亮刘!鹏P!齐胜利P!张国义P"#P北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室!北京!P$"#P"#!江苏伯乐达光电科技有限公司!盐城!Y$!摘要󰀡研究了2,&的结

2、构和发光特性8%53生长的具有双发射峰结构的'JWF(WF(多量子阱发光二极管"0)3#在透射电子显微镜"下可以发现量子阱的宽度不一致!电致发光谱"发现了位于!4)2#)0#_YZ>5的绿光发光峰和Y!随着电流密度增加!双峰的峰位没有移动!直到注入电流密度达到!gP&时!绿!_"P>5处的蓝光发光峰8$I/?I而蓝光发光峰没有变化8单色的阴极荧光谱"发现绿光发射对应的发光区包括絮状区域和光发光峰发生蓝移!%0#发光点!而蓝光发射对应的发光区仅包含絮状区域8通过以上的结果!我们认为蓝光发射基本上源于'JWF(量

3、子阱发光!而绿光发射则起源于量子阱和量子点的发光8关键词󰀡氮化镓'发光二极管'多量子阱'透射电子显微镜'电致发光谱'阴极荧光谱<)66$#"O$1'#"O$&'"PPZ&中图分类号󰀡4󰀢󰀣(R$Y_!dR!文献标识码󰀡/!文章编号󰀡$!ZRYP#!$#$#PP!P$YP!$PO)虽然局域辐射复合机制已经有一些文献报道(8激子发光的观点已被普遍接受!但是确切的机制仍有许多争论!特别是在电注入的情

4、况下!发光的机理还需进一步的研究8本文报道了2,%53生长出双发射峰的样品8并用透射电子显微镜"/电致4)2#发光谱"/阴极荧光谱"研究了双发射峰的)0#%0#发光机理8得到发光起源于量子阱和量子点的观点8C!引言+族氮化物半导体发光器件的发光的起源目前)P$O可以接受的观点是!由于'还存在着争议(8J组分不均匀或富'J量子点而被限制的激子发光起着)!至关重要的作用(这些随机局域化的激子避免了8()在高密度的缺陷区域的复合8&FJ7>N><等人O还K发现了位错区域存在能量势垒!阻碍载流子在该处的复合8众所周知!'J

5、(和WF(之间巨大的混溶隙()使得'因为WJWF(合金在化学上很不稳定#8F(在'J(中的溶解度小于Zc!'JWF(单层较稳定的存在方式是富'J的量子点掩埋在低'J含量的'J()但是!在存在应力的情况下!这种完WF(介质中"8全分凝的情况并不多见!特别是在通常的'&JWF(纯的'WF(量子阱中!J(量子点几乎不可能发)!P$生(另一方面压电极化和自发极化将在'&8JWF(P)在目前的报道中!WF(量子阱区域形成大的电场P8因为富'其形状也不规则!所以J量子点的尺寸较小!(!)要得到确切的量

6、子点的'这J组分和形状很困难P8)Y些结构的复杂性!再加上势垒和表面处电荷输运(!使得'JWF(量子阱中的辐射复合十分复杂8目前关于相分离和压电效应影响的量子阱中的批准号$#O$Y$O$#"国家自然科学基金资助项目"$Q通信作者8)IFN7SS?E>J!Ba98>C98?J$OP!PO收到!$#$R$#定稿!D!实验&#用'JWF(WF(多量子阱发光二极管"0)3A&/X4!$&42,%53系统生长8Z个'JWF(垒和阱WF(量子阱被包在J型和B型WF(之间8的生长温度均为#预计阱的宽度会影响&#

7、39;"$8J从而改变发光WF(阱内的能级位置以及应力情况!波长8所以为了生长多波长的0在阱的宽度上)3!做了改动80)3芯片的制备按照标准的工艺进行8通过X射线衍射"和卢瑟福背散射"#结X.3#.M*果可以推断量子阱中的应力没有完全弛豫8剖面的4抛光!最后用离)2样品是通过研磨/子减薄得到电子可以透过的薄样品84)2观察是在工作电压为R4>?JFN1R$上进行的!$a58)0谱是通过一个探针台和一个%不%3光纤光谱仪得到!$#中国电子学会"!半!导!体!学!报第!"卷图P!双峰结构的'JWF(&WF(多量子阱0)3的明场

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断改变注入电流!得到不同注入情况下的)0谱80谱则在WFJFJ公司商用的26J6%0R上室温下测量得到!%0谱仪安装在+),0+*2O#$1上8!结果与讨论图P是双峰结构的'JWF(&WF(多量子阱)3的明场4)2照片和高分辨照片8从图P"F#可以观察到在BWF(和JWF(之间有Z个量

9、子阱!量子阱的平均周期为PR_PJI8和一般的量子阱结构不同的是!图P的每个量子阱的阱宽和垒宽都不相同!其中离JWF(层的第P!R!Y个量子阱的宽度为R$YJI!而!Z量子阱较窄!为!JI左右!势垒为中间两个较宽!而靠近P!Z阱的垒则较薄8量子阱里黑色的点状物表示'JWF(发生了部分相分离!这将引起周围应力的变化!从而表现在垒中也存在黑色的衬度8从图P"D#高分辨像中观察到宽阱中的JWF(发生了相分离!形成了类量子点的结构!如白色箭头所指8图!是不同注入电流密度下的)0谱!图中可以看到明显的双峰!峰位分别位于!_YZ和!_"P>58在注入电流密度小于Z$I/&

10、amp;?I!之前!仅看到绿光发光峰8当电流密度大于Z$I/&?I!之后!蓝光峰出现并迅速增强8在电流密度为PY!I/&?I!时!蓝光峰的强度超过绿光峰8在高注入的条件下!蓝光峰在)0谱中占主导地位8在低电流密度条件下!只有绿光发光的原因是多量子阱中存在较宽的量子阱或存在量子点!这些结构的能隙宽度小!其导通电压较小便能发光!而能隙宽的部分其导通电压也高!所以在低电流密度条件下!只能看到绿光发光8当注入电流密度增加时!阻碍电流的势垒降低!窄阱开始发光!并且因为压电效应引起的量子限制斯塔克效应的减弱!窄阱的复合效率迅速提高!蓝光峰迅速增强'但是对宽量子阱而言!电子/空穴波函

11、图!不同注入电流下WF(&'JWF(多量子阱0)3的)0谱"双峰的峰位分别位于!_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数在空间分离更远!其复合几率随电流密度增加的效果要慢很多!同时富'J量子

12、点的发光面积也小得多!所以蓝光强度增加比绿光快!最终蓝光起主导作用8图R显示的是)0发光峰的峰位和强度随注入电流密度变化关系8图R"F#中绿光峰的发光强度几乎是随着电流密度增加而线性增加!而蓝光峰则先迅速增加!接着趋向饱和8从小注入开始!随电流密度增加!两发光峰的强度差异先减小后增加!当电流%E0'第#期陈志忠等 JWF(WF(多量子阱0)3电致发光谱中双峰起源的研究!'#&'成絮状的发光图像8因为%0的空间分辨率大约在"在% 中几个JO$"$JIP0谱中区分出图PD I的量子点的位置是不可能的8量子点的大小和形状在4进一步的

13、9;)2照片中也不很清楚 JWF(多量子阱内结构和能带特征的研究目前还在进行之中8I!结论图Y!摄于波长Z!OJI F 和YZ$JI D 单色%0谱1NK_Y!26J6?E<6IFN?%0NIFK>AFa>JFE>FH>7>JKE6LZ!OJI F FJCYZ$JI D 密度增至P$YI/ ?I!后再减小8图R D 中蓝光峰的峰位在整个注入范围内几乎不变 绿光峰在小于gP$YI/ ?I!条件下不变 大于该值时 则发生蓝移 同时还出现多个发光峰8上述对图!的解释已经部分解释了两个发光峰强度的演变 对最后的随着注入的增加强度差的减少可以解释为 焦耳热对量子阱的限

14、制作用的影响大于对量子点的影响 因为量子点对激子的束缚能较大 不易受焦耳热影响8蓝光强度的饱和是因为焦耳热使得结温增加 降低了量子阱的内量子效率8众所周知 从量子阱中发出的光将随着注入电流密度的增加而蓝移 Z这基于两个方面的原因 P 富'J区域局域态的填充 !压电场的载流子屏蔽效应8但是在低注入条件下 我们发现两个峰都没有蓝移8这主要是因为存在某种红移的补偿机制 或者压电场被转移电荷所调制 Y8大的电流密度导致的结温升高是峰值红移的一个原因 PZ8因为量子点的激子束缚能大于量子阱 所以量子点导致的绿光峰受结温的影响 %P$I>5 较小而量子阱导致的绿光峰则受结温的影响较大 因此在

15、大注入条件下 受量子点决定的绿光峰发生蓝移 而量子阱决定的绿光峰移动较少 这样就导致绿光多峰的出现8而蓝光峰红移和蓝移的效果基本等价所以其峰位基本不变8'JWF( WF(多量子阱0)3的%0谱绿光峰和蓝光峰分别位于Z!O和YZ$JI 相比)0谱均有红移8这是因为%0的注入密度较低 载流子复合首先发生在势能最低点 从而导致发光峰位的红移8图是单色的%0照片 图Y F 的摄像波长为Z!OJI对应绿光发射 我们不但发现有絮状的充满整个照片的发光 还发现明亮的点状发光8结合上面的讨论 我们认为它们分别来自于宽阱和量子点8而Z$JI的图像只发现有絮状的发光该发光仅来自JWF(量子阱发光8我们认为

16、絮状物是量子阱中JWF(发光所致 因为'JWF(在应力作用下不完全相分离 导致存在'JWF(局部组分高的区域另外 %EN?END9等人 P#提出了'JWF(阱中存在非辐射复合中心以及'J(型链的结构这同样也会形本文对双发射峰样品进行了4)2%0 )0谱的测量8双发射峰样品的量子阱的宽度不一致 在%0谱中我们发现了发光点和大面积絮状发光结合)0的结果我们认为绿光发射来源于多量子阱中的宽阱和量子点 而蓝光发射来源于窄量子阱的发光8参考文献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

21、?6J>JNJ'JWF( WF(I97NB7>f9FJ9I>77A8/BB7;E:A0> !$ # P !"" !;6NJF5 &FEJF) .6A>JF9><F/ >F78%6IBF<NA6J6LE>'JCNA<ND9N6JNJ'JWF( WF(f9FJ9I>77A<9?9<>AK<6JD:I67>?97F<D>FI>BNFV:FJCI>F76<KFJN?HFB6<BEFA>>BNFV:8+%

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23、NC>DFA>CE>><6FJCf9FJ9IA<9?9<>A8;<6K<>AANJh9FJ9I)7>?<6JN?A !$ !Y !RP! !0FNT0 0N9%; %E>Jh8*9C:6LE>C6INJFJ79INJ>A?>J?>I>?EFJNAINJ'JWF( WF(I97NB7>f9FJ9I>77A?6IB<NA>C6L97<FAIF77'JWF(f9FANf9FJ9IC6A8/BB7;E:A0> !$Z "O P!

24、PPZ!YY''#&(半!导!体!学!报第!"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

25、FJCNA<>7FN6JB6D<NEJ>AA6LD79>FJCK<>>J0)3A8+%<AW<6E P" K:PZ R# PZF<a'G G6J2G MF>a*& >F78)JEFJ?>I>J6LBEFA>!;A>F<FN6JNJE>'JWF(7F><L6<A>7LFAA>ID7>C'J<N?EB:9FJ9IC6A8/7;EA0>!$Z "# $OP$OfBB:PO EFA>H

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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