单颗独立工作的微纳尺度硅衬底GaN基发光器件研究

Micro/nano-scale semiconductor light-emitting devices are key devices in the research fields of single-photon emission, quantum communication, and optogenetics. However, there are big problems in the fabrication of the micro/nano-scale light-emitting devices. The purpose of this proposal is to research an individually operated micro/nano-scale GaN-based light-emitting device on silicon substrate. Based on our previously research, our researches are focused on the selective area growth (SAG), the luminescent mechanism, and the fabrication of micro/nano-scale three-dimensional (3D) hexagonal pyramid light-emitting device structure in this proposal. In order to realize the fabrication of high performance individually operated micro/nano-scale GaN-based light-emitting device, our researches include three aspects: studying the kinetics in SAG of 3D micro/nano-scale structure, analyzing the behavior of injecting carriers and the luminescent mechanism at the different positions of the micro/nano structure, exploiting the fabrication technology of the micro/nano-scale light-emitting devices. The research will explore a way to realize the applications of nanotechnology-oriented device in future.

微纳尺度的半导体发光器件是单光子发射、量子通信及生物光遗传学等研究领域的关键器件，然而，微纳尺度发光器件的制备一直以来存在较大的困难。本项目以研究单颗可独立工作的微纳尺度Si衬底GaN基发光器件为目标，在我们前期研究的基础上，从微纳尺度三维六角金字塔结构GaN基发光器件的选择区域生长、发光机理及微纳尺度发光器件的制备三个方面开展研究，研究三维微纳结构的选择区域生长中的生长动力学问题，分析载流子在微纳结构发光器件中不同位置的注入行为及发光机制，开发微纳尺度GaN基发光器件的制备技术，实现高性能可独立工作的单颗微纳尺度GaN基发光器件的制备，为未来纳米发光器件的实用化探索一条途径。

本项目以研究单颗可独立工作的Si衬底微纳尺度GaN基发光器件为目标，在前期研究的基础上，从微纳尺度三维六角金字塔结构GaN基发光器件的选择区域生长、发光机理及微纳尺度发光器件的制备三个方面开展研究，最终实现了高性能可独立工作的单颗微纳尺度GaN基发光器件的生长与制备，为未来纳米发光器件的实用化探索一条途径。主要研究内容及成果：.1）带漏电流限制层的单颗电注入微米尺度金字塔结构GaN基LED的制备.在前期单颗微米尺度金字塔结构GaN基LED的选区生长与器件制备的基础上，结合金字塔结构微米尺度GaN基LED的位错分布特性，提出并制备了带漏电流限制层的单颗电注入微米尺度金字塔结构GaN基LED，实现了低注入电流（1A）下发光，反向漏电小于1nA@-5V。.2）单颗电注入微纳尺度叠层金字塔结构GaN基LED的选区生长与器件制备.基于微米尺度金字塔结构GaN材料的位错分布，我们提出两步选区生长法并实现了微纳尺度叠层金字塔结构GaN基LED的选区生长，并制备了单颗电注入微纳尺度叠层金字塔结构GaN基LED。将InGaN/GaN MQWs外延生长在金字塔结构GaN材料的顶部无位错区域，提高了有源层的晶体质量，减少了半导体发光器件内部由位错引起的漏电通道及非辐射复合中心，实现了更低注入电流（0.2A）下发光，反向漏电小于0.1nA@-5V。.3）微米尺度金字塔结构GaN基LED的一步选区生长及器件制备.研究了基于AlN及不同Al组分AlGaN成核层在图形化Si衬底上微结构GaN材料的一步选区生长工艺，在此基础上实现了基于低Al组分AlGaN成核层的图形化Si衬底上金字塔结构微尺度GaN基LED一步选区生长，并制备成单颗电驱动的蓝绿双波长发光微尺度GaN基LED器件，并对双色发光机理进行了分析。.4）Si衬底GaN基条形激光器结构的选区生长研究.利用选区外延技术在Si衬底上生长大间距GaN基条形激光器结构，研究了Ga原子在大间距条形选区生长中的迁移行为。通过引入双条形结构，有效地调节了大间距条形的局域生长条件，极大地改善了条形结构的形貌特征。并在Si衬底上实现了半极性面GaN基条形激光器的光泵浦激射。