A面InGaNGaN蓝绿光拉曼光谱和发射特性.doc

蓝宝石衬底上的a面InGaN/GaN蓝绿光发光二极管的拉曼光谱和发射特性 摘要：本文是一篇关于研究r基蓝宝石衬底上生长的非极性a面InGaN / GaN蓝绿光发光二极管（LED）拉曼光谱和发射性能的文章，并将其与传统的c面蓝绿LED进行比较。a面LED在20 mA的电流下输出功率为1.4mW，c面LED具有更高的外量子效率E2(high)声子模。通过比较E2(high)声子模的频率，我们发现a面LED其他地方的压应力明显比两极小。 一.引言 由于氮化镓具有通常在c面极性III-氮化物才能观察到的消除内部电场的应用前景，在过去几年非极性它已经受到了越来越多的关注。生长方向的宏观电场是自发产生的，压电极化被认为是许多器件性能问题的主要原因，比如内部量子效率的减小，阱厚度的限制，高的正向电压，载流子的溢出。为了克服这些问题，并实现更高的效率，几个研究小组已经尝试在不同衬底上制备非极性或半极性氮化镓发光二极管（LED），比如块状GaN，如铝酸锂，和r基蓝宝石。特别的，非极性器件极化效应区由于较高的比例因而极化严重，非常适合绿色发光二极管。 虽然r基m基蓝宝石衬底上非极性氮化镓结构适合大规模生产，但是很少有蓝宝石衬底上直接生长的非极性氮化物LED的光学性质的报道，因为获得高品质的非极性或半极性氮化镓外延薄膜是很困难的。在这篇文章中，我们将着重与极性绿色LED进行比较来阐述r基蓝宝石衬底上非极性的InGaN / GaN绿色LED光学特性。使用取决于偏置的电致发光（EL）和光致发光（PL）对非极性绿光LED局部效应和压电区缺失进行了实验研究。我们获得了一个各向异性较强的拉曼光谱并且确定了极性和非极性氮化镓残余应力（residual strain）层，结果表明：非极性氮化镓层的压缩应力远小于对应的极性氮化镓层。 二.实验与讨论 这项研究的样品包括非极性a面InGaN / GaN绿光LED和传统的c面InGaN / GaN绿光LED。采用传统的有机金属化学气相淀积方法在r基蓝宝石衬底上淀积a面LED外延层。它包括一个电子浓度为3×1018cm-3的3μm厚度硅参杂n型氮化镓层，然后是有源区，其中包括四个阶段的量子阱，分别是在800和1500摄氏度下生长的5nm厚的InGaN量子阱（QWs）和10nm厚的氮化镓阻挡层。有源区顶端生长的是空穴浓度为1.4×1018cm-3的Mg参杂的p型氮化镓层。更多生长工艺的细节请参考文献10，在那里已经得到证明高质量的a面LED结构能成功的生长在一个高器件质量的r面蓝宝石衬底上的a面氮化镓模板上。a面氮化镓模板的位错密度（TDD）通过原子力显微镜和高分辨率透射电子显微镜的测试得到为6×109cm-2，而c面参考样本的位错密度为4×108cm-2。a面LED的层错密度是1.5×105cm-2。 两种样品的电致发光(EL)和光致发光（PL）在常温下的偏置依赖光谱如图1和图2所示。 图1 图2 常温下非极性a面（图a）和传统的c面（图b）的InGaN / GaN蓝绿光LED当正向偏压小于正向导通电压和反向偏压范围内的光致发光曲线（插图为光致发光峰波长随偏压的函数关系）。 常温下非极性a面（图a）和传统的c面（图b）的InGaN / GaN蓝绿光LED不同注入电流下的电致发光曲线(插图为电致发光峰值波长随注入电流的函数关系)。 如图1（a）和图1（b）所示，非极性和极性结构都可以观察到随注入电流增加的发射峰蓝移。这种蓝移是c面InGaN / GaN量子阱器件的典型特征，这一般归因于内部电场的筛选和载流子注入量子阱时的局部态填充。然而，在非极性的情况下，我们可以预料蓝移仅仅与注入丰富的局部区域有关，因为在生长方向没有宏观极化场的存在。为了用实验确定在非极性量子阱中没有极化场，我们在偏压小于正向导通电压和反向偏压下进行光致发光谱偏置依赖的测量。一束由半导体泵浦固体激光器产生的405nm的激光作为光致发光的激发源。在极性LED情况下，光致发光的峰值位置随反向（正向）偏置时增加（减少）而发生蓝移。由于压电场的方向与由pn结产生的内建电场方向是相反的，量子阱中的总电场随着反向（正向）偏置的增加（减小）而减小，由此生成了一个由量子限制斯塔克效应而产生的蓝移。然而，在非极性LED中并没有观察到蓝移现象，可以通过在生长方向没有压电场来证实。事实上，我们可以观察到一个轻微的红移，这最有可能是所施加的反向偏置使量子阱中的电场增加的缘故。上述结果与最近报道的m面GaN衬底上m面蓝绿光InGaN LED进行了对比。在发射波长随着正向电流增加的情况下，作者观察到一个可以忽略不计的蓝移，这意味着在m面GaN衬底上InGaN量子阱中In几乎是均匀分布的。然而，即使没有图1（a）中的诱导极化电场，一个明显的蓝移显示了In明显的局部性分布