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文檔簡介
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,因為其禁帶寬度覆蓋了紫外到可見光的重要光譜范圍,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。隨著材料生長技術(shù)和器件制備技術(shù)的提高,近十幾年來Ⅲ族氮化物在光電子領(lǐng)域尤其是發(fā)光器件的應(yīng)用上取得了長足的進步。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)來制作,對Ⅲ族氮化物量子阱進行理論和應(yīng)用研究具有深刻的現(xiàn)實意義。盡管十幾年來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展,但仍舊存在很多有待解決的問題。本文將針對Ⅲ族氮化物量子阱發(fā)光器件研究所面臨的部分關(guān)鍵問題進行研究,并提出一些合理的解決方案。本文的具體研究內(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,通過對導(dǎo)帶和價帶有效質(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)特性的高級語言數(shù)值計算程序。
2.針對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,以藍光應(yīng)用的InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)為例,詳細分析了極化效應(yīng)對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)特性對阱寬和壘厚依賴性增強的原因。在此基礎(chǔ)上本文提出了通過采用摻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Ⅲ族氮化物的白光應(yīng)用,本文提出了采用對應(yīng)輻射
5、波長互補的兩種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)實現(xiàn)單芯片、無熒光粉雙色白光LED?;蛘卟捎眉t光、綠光和藍光量子阱組合而成的InAlGaN非規(guī)則多量子阱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)三色白光LED。通過分析不同設(shè)計參數(shù)InAlGaN非規(guī)則多量子阱結(jié)構(gòu)的光電子學(xué)特性,從理論上驗證了通過選擇合適的設(shè)計參數(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。
4.為了分析Ⅲ族氮化物量子阱器件遠離平衡態(tài)時的輸運特性,本文建立了基于Wigner函數(shù)的Ⅲ族氮化物量子阱結(jié)構(gòu)的量子輸運模型,該方法通過自洽求解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,建立了能夠計算任意復(fù)雜應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)輸運特性的高級語言數(shù)值計算程序。應(yīng)用基于Wigner函數(shù)的量子輸運模型
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