Ⅲ族氮化物量子阱光電子學(xué)特性和應(yīng)用的研究.pdf

1、Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體,包括AlN,GaN和InN及它們所組成的三元化合物AlGaN,InAlN,InGaN和四元化合物InAlGaN,因?yàn)槠浣麕挾雀采w了紫外到可見(jiàn)光的重要光譜范圍,具有比目前為止其它半導(dǎo)體材料更大的發(fā)展?jié)摿透鼜V闊的應(yīng)用前景。隨著材料生長(zhǎng)技術(shù)和器件制備技術(shù)的提高,近十幾年來(lái)Ⅲ族氮化物在光電子領(lǐng)域尤其是發(fā)光器件的應(yīng)用上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。由于量子限制效應(yīng)使量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件在性能上更為優(yōu)越,實(shí)用化的Ⅲ族氮化物發(fā)光器件基本采用

2、量子阱結(jié)構(gòu)來(lái)制作,對(duì)Ⅲ族氮化物量子阱進(jìn)行理論和應(yīng)用研究具有深刻的現(xiàn)實(shí)意義。盡管十幾年來(lái)Ⅲ族氮化物量子阱發(fā)光器件的特性和應(yīng)用研究都取得了很大的進(jìn)展,但仍舊存在很多有待解決的問(wèn)題。本文將針對(duì)Ⅲ族氮化物量子阱發(fā)光器件研究所面臨的部分關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究,并提出一些合理的解決方案。本文的具體研究?jī)?nèi)容和成果主要包括:
　　 1.首先建立了基于修正的k·p方法的Ⅲ族氮化物量子阱光電子學(xué)特性的理論模型,該模型充分考慮了極化效應(yīng)、阱間耦合以及應(yīng)力效

3、應(yīng)的影響,通過(guò)對(duì)導(dǎo)帶和價(jià)帶有效質(zhì)量方程和泊松方程的自洽求解,最終可以得到Ⅲ族氮化物量子阱結(jié)構(gòu)的光電子學(xué)特性。并采用非均勻網(wǎng)絡(luò)的有限差分法,建立了能夠計(jì)算任意復(fù)雜應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)光電子學(xué)特性的高級(jí)語(yǔ)言數(shù)值計(jì)算程序。
　　 2.針對(duì)Ⅲ族氮化物特有的極化特性,本文應(yīng)用建立的基于k·p方法的理論模型,以藍(lán)光應(yīng)用的InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)為例,詳細(xì)分析了極化效應(yīng)對(duì)Ⅲ族氮化物量子阱光電子學(xué)特性的影響及產(chǎn)生這種影響的原因。之后分析了在極化

4、效應(yīng)影響下,InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)的光電子學(xué)特性對(duì)阱寬和壘厚依賴性增強(qiáng)的原因。在此基礎(chǔ)上本文提出了通過(guò)采用摻In壘層或采用極化匹配InAlGaN壘層的方法,能夠改善極化效應(yīng)對(duì)InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)光電子學(xué)特性的影響,利
　　 用k·p方法模型得到的仿真程序,從理論上證明了在采用摻In壘層或采用極化匹配InAlGaN壘層后,InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)中極化影響的改善。
　　 3.針對(duì)Ⅲ族氮化物的白光應(yīng)用,本文提出了采用對(duì)應(yīng)輻射

5、波長(zhǎng)互補(bǔ)的兩種InAlGaN量子阱,按一定順序排列形成的非規(guī)則多量子阱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單芯片、無(wú)熒光粉雙色白光LED?；蛘卟捎眉t光、綠光和藍(lán)光量子阱組合而成的InAlGaN非規(guī)則多量子阱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三色白光LED。通過(guò)分析不同設(shè)計(jì)參數(shù)InAlGaN非規(guī)則多量子阱結(jié)構(gòu)的光電子學(xué)特性,從理論上驗(yàn)證了通過(guò)選擇合適的設(shè)計(jì)參數(shù),InAlGaN非規(guī)則多量子阱結(jié)構(gòu)的輻射光譜將接近白光。本文進(jìn)一步討論了在極化效應(yīng)的影響下,應(yīng)用于雙色和三色白光LED的InGaN非規(guī)

6、則多量子阱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 4.為了分析Ⅲ族氮化物量子阱器件遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)的輸運(yùn)特性,本文建立了基于Wigner函數(shù)的Ⅲ族氮化物量子阱結(jié)構(gòu)的量子輸運(yùn)模型,該方法通過(guò)自洽求解Wigner函數(shù)形式的電子和空穴劉維爾方程及泊松方程,能夠得到Ⅲ族氮化物量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)部的載流子動(dòng)態(tài)情況。之后采用有限差分法離散化劉維爾方程和泊松方程,建立了能夠計(jì)算任意復(fù)雜應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)輸運(yùn)特性的高級(jí)語(yǔ)言數(shù)值計(jì)算程序。應(yīng)用基于Wigner函數(shù)的量子輸運(yùn)模型