GaN覆盖层厚度对InGaN/GaN量子阱光学性能的影响

摘要

采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长三组不同GaN覆盖层厚度的InGaN/GaN多量子阱（MQWs）样品，研究其光学性质。发现较厚覆盖层更有效抑制InGaN量子阱层In组分蒸发；量子受限斯塔克效应（QCSE）随覆盖层增厚而增强。结合电致发光（EL）结果，重点分析不同覆盖层厚度诱导的定域态与缺陷差异，解释室温光致发光（PL）测量中的异常现象：过薄覆盖层加剧InGaN量子阱定域态不均匀性，过厚覆盖层在GaN覆盖层产生更多缺陷。

引言

InGaN/GaN多量子阱结构广泛应用于可见光发光二极管（LED）与激光二极管（LD）有源区，成果斐然。提升InGaN/GaN MQWs质量对实现高性能GaN基LED/LD至关重要。前人研究发现高温生长GaN（HT-GaN）量子势垒（QB）有利于改善晶体质量与发光强度。受限于In-N键合强度弱，InGaN量子阱（QW）生长温度通常低于GaN QB以获高In含量，但这会导致In原子在高温生长GaN QB过程中从InGaN QW逸出。在InGaN QW与GaN QB间插入低温生长GaN覆盖层（LT-GaN cap）已被证实能有效减少In组分脱附，改善InGaN QW厚度均匀性与In分布。然而，降低GaN覆盖层生长温度会削弱原子迁移能力，导致GaN材料劣化。且有报道指出LT-GaN覆盖层越厚缺陷越多，不利于In分布均匀性与发光强度提升。既往研究较少关注不同GaN覆盖层厚度下有源区定域态对发光特性的影响。本文利用X射线衍射（XRD）、电致发光（EL）、光致发光（PL）报告LT-GaN覆盖层厚度对InGaN/GaN MQWs结构与发光性能的影响，并通过温度相关PL实验详述定域态在发光特性中的作用。

实验方法

三组InGaN/GaN MQWs样品在c面蓝宝石衬底上用MOCVD生长。结构一致：非掺杂GaN缓冲层（1.2 μm）、Si掺杂n-GaN层（1 μm）、两周期InGaN/GaN MQW有源区、Mg掺杂p-GaN层（40 nm）。生长有源区时，InGaN QW条件相同；LT-GaN覆盖层在与InGaN QW相同温度（710℃）下生长，生长时间分别为150 s、300 s、500 s（样品A、B、C）；随后升温至810℃生长HT-GaN QB，生长时间相同。XRD测定结构参数；EL与室温PL表征有源区光学性质。

EL谱用Ocean Optics HR2000高分辨光谱仪在直流驱动下测量，输出功率用Si光电二极管检测，EL峰能量与半峰全宽（FWHM）用单色仪与光电倍增管检测。PL测量用λ=325 nm连续波He-Cd激光激发（3 mW，光斑0.5 mm²）；温度相关PL（30-300 K）用405 nm GaN半导体激光器（5 mW）激发，液氦自由流与CTI Cryogenics闭循环制冷机控温。

结果与讨论

图1a为三样品(0002)面ω-2θ扫描衍射图谱，卫星峰清晰可见，表明MQWs周期结构良好、界面锐利。用SmartLab Studio II与Global Fit程序分析得平均In组分、QB与QW厚度（表1）。In组分随LT-GaN覆盖层增厚而增加，证实较厚覆盖层更有效抑制In蒸发。图1b样品C倒易空间映射（RSM）显示主GaN峰与卫星峰共线，说明所有样品中In含量最高的QW层完全处于应变状态，压电场对发光性质的影响须纳入考量。

图2为5 mA注入电流下三样品EL谱：峰波长分别为453.6、456.3、466.7 nm。XRD显示In组分随覆盖层增厚增加，导致EL峰能量红移。EL强度随覆盖层增厚而降低：较厚GaN势垒层（LT-GaN cap + HT-GaN QB总厚度增加）增大空穴从p-GaN到有源区注入距离，降低空穴注入效率；In组分增加增强InGaN QW压电场，加剧能带倾斜，导致发射峰红移与发光效率降低，即量子受限斯塔克效应（QCSE）。为验证QCSE对EL影响，图3展示不同注入电流下EL峰能量与FWHM变化：注入电流增加引起发射峰能量蓝移，归因于带填充效应与电子屏蔽效应补偿QCSE。样品C In组分最高、势阱最深、压电场最强，带填充与电荷屏蔽效应最显著，EL峰能量蓝移量最大（166 meV）；样品A最弱，高注入（50 mA）下热效应导致禁带收缩主导，峰能量红移。样品A FWHM随电流单调增加，带填充效应致谱宽展宽主导；样品B、C低电流下带填充效应显著致展宽，高电流下载荷屏蔽极化电场过程逐渐主导致FWHM下降。B、C样品FWHM拐点电流分别约10、20 mA，暗示样品C压电场最强。

图4a为室温PL谱（405 nm激光，5 mW）：峰波长分别为473.1、472.9、478.2 nm。因样品B、C PL强度较弱，又用325 nm He-Cd激光复测（图4b），两套结果一致，排除实验不确定性。对比EL结果（图2），发现PL异常：(1) 样品A In组分少于B，但PL峰波长略长于B；(2) 样品B、C PL强度相近，样品A强得多。为解释异常，对三样品做温度相关PL（TDPL），PL峰能量随温度变化见图5。样品B峰能量随温升单调下降（带隙收缩致红移）；样品A在70-190 K间出现显著蓝移，用热重新分布定域激子解释：温升激活定域激子从势能极小值跃迁至高能态；样品C在50-175 K峰能量近乎不变，带隙收缩与激子定域效应抵消。

考虑激子定域效应，修正带尾模型描述温度相关发射峰能量（式1）：E₀(T)=E₀(0)-αT²/(T+β)-σ²/k_BT。σ为定域分布标准差，表征定域效应强度，σ越大定域态越不均匀。InGaN中In组分波动是形成带尾主因，带尾态处于局域势能极小值，类似量子点，电子-空穴对在这些自形成量子点复合视为定域激子复合。拟合得σ分别为36.96、18.89、23.77 meV（A、B、C），表明最薄覆盖层样品A定域态最不均匀。定域态源于InGaN合金中不同尺寸In富集团簇与QW厚度波动。薄LT-GaN覆盖层升温生长GaN QB时无法有效阻止In脱附，导致In含量与QW厚度随机波动。样品B 1.8 nm覆盖层足以保护In免脱附，形成更均匀InGaN QW。不均匀定域态通常保留更深势态致发射峰红移，解释图4中样品A峰波长长于B。In组分增加也促进大尺寸In团簇形成，解释样品C定域效应略强于B。

图6为样品A、C积分PL强度随温度变化（样品B测试光电倍增管电压较低，强度最低但不影响拟合），用式2拟合：I(T)=1/[1+ΣC_i exp(-E_i/k_BT)]。拟合参数C_i、E_i见表2。样品B、C的C₂大于A，表明较厚LT-GaN覆盖层形成更多缺陷。LT覆盖层缺陷随厚度增加而增加[6,10]。LT覆盖层缺陷靠近量子阱，电子空穴波函数穿透势垒，对PL强度影响显著。79.67 meV活化能（样品A E_a2）对应空穴从QW逸出经势垒缺陷捕获非辐射复合，与Olaizola报道一致[6]。微区PL图像（图7）显示：暗斑对应有源区非辐射复合。相比样品A，样品B、C出现更多大尺寸暗斑，证实较厚LT-GaN覆盖层缺陷更多。通常LT覆盖层后热退火可减少InGaN层In团簇、改善晶体质量；覆盖层过厚会削弱热退火效应，金属In析出阻碍GaN原子扩散，引入更多缺陷。更多缺陷与更强QCSE不利于发光强度提升，为何样品C PL强度与B相当？定域态在提升发光效率中也起关键作用：载流子被捕获至定域态辐射复合，定域效应越强，越多载流子避免被缺陷捕获，这解释B、C PL强度相近，而A因定域态不均匀但缺陷少，发光强度远高于B、C。

结论

综上，研究了GaN覆盖层厚度对光学特性的影响。XRD显示较厚覆盖层更有效保护In组分免脱附；QCSE增强、空穴注入效率降低随覆盖层增厚；不同覆盖层厚度诱导的不同程度激子定域效应解释三样品PL峰波长与强度异常。过薄LT覆盖层加剧InGaN QW定域态不均匀性，过厚LT覆盖层在GaN覆盖层产生更多缺陷。因此，优化LT-GaN覆盖层厚度是提升InGaN有源层均匀性与发光强度的关键。