摘要: 纤锌矿结构的Ⅲ族氮化物半导体材料体系的偏振光电子器件以其节能环保和使用寿命长等优势,在液晶背光源和量子通讯等领域有着广泛的应用前景;深紫外和紫外光电子器件也由于其在生物科学和军事领域上的重要地位而受到各国研究者的广泛兴趣。通过材料的... 展开 纤锌矿结构的Ⅲ族氮化物半导体材料体系的偏振光电子器件以其节能环保和使用寿命长等优势,在液晶背光源和量子通讯等领域有着广泛的应用前景;深紫外和紫外光电子器件也由于其在生物科学和军事领域上的重要地位而受到各国研究者的广泛兴趣。通过材料的偏振发光特性的研究,明确了影响光学偏振特性的因素和作用机制,是实现高效率发光和制备偏振发光器件的重要基础。 本论文采用基于k·p微扰理论方法得到的纤锌矿结构Ⅲ族氮化物材料的有效质量哈密顿量,对价带最高的三个子带波函数的相对谐振子强度(ROS)和能级位置变化进行理论计算和分析,分别研究了非极性a面GaN材料和m面A1GaN材料的光学偏振特性。下面概括本论文的主要工作和结论如下: (1)对于非极性a面GaN材料的偏振发光特性分析,我们通过对能量最高的三个价带能级位置关系和波函数的ROS计算结果分析得知:随着面内压应力的增加,在发光中起主要作用的最高能量的三个价带能级的ROS分别由|Y〉、|Z〉和|X〉态分量占主要部分,相应的跃迁发光几率最大的是y偏振光。应变较小的范围内,压应力的增加使得第一个价带中|Y〉态分量占比的上升比|Z〉态分量快得多,导致发光偏振度越来越大。在面内张应变作用下,应变增加导致以第一个价带的跃迁贡献为主,与压应力的结果不同的是三个价带的ROS分别由|X〉、|Y〉和|Z〉态的分量占主要地位,自发辐射发光以x偏振光为主从侧面发出,在此情形下正面的发光效率较低。实验上,采用偏振PL实验测量了具有不同压应变的HVPE方法制备的a面GaN样品的发光偏振度,样品的应变状态由X射线衍射和拉曼光谱分析获得。实验结果确认了在较小压应力作用下a面GaN材料发光偏振度随压应变增大而增大的结论。 (2)不同A1组分c面A1GaN材料的ROS计算结果表明,随着A1组分增加,A1GaN材料发光的偏振态会从GaN材料的|X〉和|Y〉态混合态(TE模式)为主,向AIN材料的|Z〉态(TM模式)为主变化,变化的过渡区域为0.05-0.1之间,且|Z〉态分量会逐渐增大。这一结果说明A1组分较大的A1GaN材料,发光的主要部分z偏振光只能从侧面出射,因此正面发光强度会随A1组分增加迅速下降,这对于理解深紫外A1GaN器件的发光效率十分重要。理论结果与不同Al组分AlGaN材料的侧面偏振PL光谱实验结果一致。 (3)非极性m面AlGaN的理论分析表明,压应变下第一个价带与另外两个能带的能量间隙比较大,发光偏振特性取决于第一个带的主要分量,第一个带以|Z〉态为主要分量;较小张应变下,前两个价带起主要作用,前两个价带分别以|Z〉态和|Z〉态为主。两种情况下辐射发光的主要部分都从正面出光,与c面AlGaN材料从侧面发射的情况不同。因此,m面高Al组分的AlGaN材料正面出光强度远高于c面A1GaN材料。文献中报道的高Al组分m面AlGaN材料的发光效率比c面AlGaN材料至少高一个数量级的结果也较好的验证了我们的结论。 收起