AlGaN深紫外发光材料的偏振特性研究

AlGaN-based UV LEDs have important applications in many areas, the research of AlGaN-based UV LED has made certain progress recently, but external quantum efficiency is still very low. Light extraction efficiency is one of the three determining factors and it depends on the direction of the output light, which is determined by the fine structure in the valence band and can be represented by the polarization properties of the output light. Since the exact physical nature of polarization about AlGaN has not been clarified, we propose to investigate the polarization properties of AlGaN material by employing the photoluminescence spectroscopy system with short excitation wavelength, based on achieving high quality AlGaN material by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), we mainly focus on the variation rule of the polarization properties under the influence of the strain, quantum confinement and polarization electric field. Then we design and improve the quantum well structure to change the direction of output light through the adjustment of the fine structure of valence band, our final goal is to make the AlGaN-based UV LEDs obtain better extraction efficiency on front face in short wavelength. The research is one of the frontier areas of UV device, which is not only meaningful in semiconductor material physics, but also important for scientific research and applications.

AlGaN基紫外LED应用价值广泛，虽然近年来器件的研究取得了一定的研究进展，但是外量子效率依然很低，出光效率是限制外量子效率的一个重要因素，而出光效率在很大程度上依赖于出光方向，出光方向则取决于材料的价带精细结构，可由出射光的偏振特性来表征，目前国际上对偏振特性的物理本质并没有研究清楚。因此本项目旨在实现高质量AlGaN外延膜及低维结构的金属有机化学气相沉积（MOCVD）的基础之上，采用短波长的偏振光致发光光谱仪来研究AlGaN材料中的发光偏振行为，探索应力、量子限制作用以及极化电场等对AlGaN偏振特性的影响规律，并在此基础之上，设计和改进量子阱结构，通过量子阱结构的调整改变有源区的价带精细结构，进而影响出光方向，从而使AlGaN基紫外LED在短波长处可以获得较大的正面出光效率，这是当前紫外LED研究最前沿的课题之一，不仅在材料物理方面具有重要的意义，同时也为相应的器件制备提供科学依据

近年来，AlGaN基紫外LED器件研究已经取得了一定进展，然而其外量子效率依然很低，出光效率是限制外量子效率的一个重要因素，而出光效率在很大程度上依赖于出光方向，可用出射光的偏振特性来表征。随着Al组分的增大，AlGaN基紫外LED的发光会从GaN的正面出光特性（TE偏振）逐渐转变为AlN的边发射特性（TM偏振），这部分光因为传播路径太长，最终的出光比较较低，导致AlGaN深紫外LED的整体出光效率较低。此外，还有应力等其他因素影响AlGaN材料的偏振特性。因此，本项目主要针对AlGaN材料的发光偏振特性进行研究，并探寻提高AlGaN量子阱TE偏振辐射光的方法，为解决AlGaN基紫外LED的量子效率低下提供科学依据和解决方案。本项目的主要研究内容和成果包括：. 1、采用kp微扰方法从理论上分析了双轴应力对c面AlGaN外延膜偏振特性的影响。发现无应变状态下价带能级位置在Al组分为0.045时发生转变，而对于确定Al组分，应变影响能级位置，存在一个临界转变点εt。此外，还计算了导带电子跃迁到价带前三个子带的相对振子强度随面内应变的变化规律。. 2、通过改变AlN模板应变状态制备了五块应变不同的Al0.37Ga0.63N/Al0.5Ga0.5N量子阱样品，研究了双轴应力对其偏振特性的影响。实验结果表明样品的偏振度可以从41.5%增加到61.9%。发现偏振度随面内应变呈现先快速后缓慢增加的变化规律，并采用理论计算进行了分析。. 3、提出了阶梯型AlGaN量子阱并研究了其光学偏振特性。在分析了其价带结构以及电子跃迁动量矩阵元的基础上，计算表明相比传统结构量子阱，阶梯阱光学TE偏振特性将显著提高。偏振实验结果和理论计算符合得较好。. 4、研究了AlGaN数字合金样品的光学偏振特性。室温偏振实验结果表明该结构的样品也具有较强的TE出光特性，室温偏振度可达40.5%。和阶梯阱类似，数字合金结构可以提高外量子效率。. 5、初步研究了单轴应力对Al0.37Ga0.63N/Al0.5Ga0.5N量子阱偏振特性的影响。得到了单轴应力偏振度随面内压应变的变化关系，从实验上确认单轴张应力的减小会增大样品的偏振度。