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硅基纳米柱GaN-LED的制备与光谱特性分析

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【作者】 张雨茜陆志成张伟郭俊宏张雪花胡芳仁

【Author】 ZHANG Yu-xi;LU Zhi-cheng;ZHANG Wei;GUO Jun-hong;ZHANG Xue-hua;HU Fang-ren;School of Electronic and Photonic Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications;

【通讯作者】 胡芳仁;

【机构】 南京邮电大学电子与光学工程学院

【摘要】 Ⅲ-Ⅴ族氮化物发光二极管因具有寿命长、尺寸小、高效、节能等优点,得到广泛的研究与应用。随着光通信、万物互联等领域的进一步发展,需要开发高质量的微纳光源和微纳光波导。纳米柱氮化镓发光二级管(GaN-LED)是一种重要的微纳光源,具有广阔的应用前景。另一方面,作为应用最广的硅半导体材料本身并不是直接半导体,发光效率低下而不能作为光源使用。因此,研究基于硅基板的纳米柱GaN-LED微纳光源具有非常重要的意义。采用射频分子束外延技术(MBE)在Si基板上沉积并生长具有GaN缓冲层、 Si掺杂的n-GaN层、 4个周期的InGaN/GaN量子阱层和Mg掺杂的p-GaN层的GaN基PN结构。利用扫描电子显微镜(SEM)观察其表面和侧面形貌,可观察到以一定的倾斜角度生长于衬底表面、排列紧密且整齐的纳米柱。利用微纳加工技术制备纳米柱GaN-LED,对已获得的纳米柱外延片进行SOG填充、 FAB刻蚀,在p-GaN层和Si衬底侧蒸镀电极,并对LED两电极施加直流电压,进行I/V曲线和电致发光(EL)特性的测试。纳米柱GaN-LED的阈值电压为1.5 V,在室温下的峰值波长为433 nm。纳米柱结构可有效减小LED的阈值,在相同电压情况下,纳米柱LED的亮度更高,展现了良好的发光特性。GaN纳米材料与体材料相比,纳米结构中存在应力弛豫可以有效地降低位错密度,尺寸小于光生载流子或激子的扩散长度,因而能够减小光电子器件激活层中的局域化效应。通过TCAD仿真,对与实验结构相同的纳米柱GaN-LED两电极分别施加5, 6和7 V的电压,可得到纳米柱LED的发光光谱。仿真结果显示纳米柱GaN-LED的发光波长在414~478 nm之间,发光颜色为天青蓝到蓝紫色之间,峰值波长为442 nm,发出鲜亮蓝色的光,与实验获得的EL光谱结果相近。随电压增大,发光光谱峰值波长减小,出现轻微的峰值波长蓝移。在纳米柱结构中InGaN/GaN区域产生强烈的极化效应,纳米柱结构在量子阱区域的载流子浓度增加,削弱了量子限制斯塔克效应,从而使LED波长峰值向高频率移动即蓝移。其次,纳米柱结构能够引起应力释放,也会引起峰值波长蓝移。

【基金】 国家自然科学基金项目(61574080,61274121);江苏省研究生科研创新计划项目(KYCX18_0852)资助
  • 【分类号】TN312.8
  • 【下载频次】31
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