再创佳绩| 时间分辨阴荧光光谱为您揭露InGaN材料 “Green Gap”的神秘面纱

2021-05-06 09:54:52, QuantumDesign 清砥量子科学仪器（北京）有限公司

引言

In_xGa_1-xN（以下简称为InGaN）材料具有0.7 eV~3.5 eV可调的直接带隙能量，被广泛应用于光电子器件领域。其中，利用InGaN制备高效的蓝光或绿光发光二管（light emitting diodes，LED）是一项具有广阔前景的应用。然而，该领域的发展也不是一帆风顺，诸多挑战频频出现限制了这项技术的快速崛起。其中之一便是“Green Gap”问题，即室温下器件在绿光波段的发光效率远低于蓝光波段的发光效率。据已有报道显示，蓝光LED的外量子效率峰值可以达到86%，而绿光仅为44%。造成近2倍外量子效率峰值差的原因是目前科学家争论的热点。有科学家表明，绿光发射大都需要在低温生长工艺下制备得到高铟含量材料，这些材料通常会形成许多缺陷，例如位错（螺旋位错、失配）、沟槽缺陷及点缺陷等。缺陷可能会成为非辐射复合中心，或辅助载流子从空间电荷区隧穿到InGaN有源区，并伴随有非辐射复合，进而造成发光效率低下。因此，为了推进高效绿光发光二管的发展，需要深入研究缺陷类型对“green gap”的影响，从原子层面揭示相关机制。

成果简介

针对上述问题，F. C. Massabuau等人利用阴荧光光谱（cathodoluminescence，CL）、时间分辨阴荧光光谱（time-resolved cathodoluminescence，TR-CL）及分子动力学模拟手段，研究了铟含量在5%~15%的厚InGaN层中的螺旋位错的光学与结构性质，并对“Green Gap”与InGaN的缺陷之间的关系进行了讨论。实验结果表明，在上述考量成分范围内的样品中，铟原子在位错附近（距位错核纳米范围内）分离。这一现象有助于形成In-N-In链或原子凝聚物，从而可以在位错处局域载流子并且能够抑制非辐射复合。该团队还注意到随着铟含量的增加，位错周围的暗晕成为一重要特征，激起了团队的好奇，并对这一特征的物性进行了深入分析。对于低铟组分样品（x<12%），团队将暗晕归因于V型凹坑平面以下较低组分材料的生长；对于高组分样品（x>12%），暗晕的起源尚未确定，可能是由于V型坑的面上位错束的形成，或是表面电位的变化，亦或是载流子扩散长度的增加。F. C. Massabuau等人相信，上述研究内容对阐明位错在发光二级管中的“Green Gap”问题有大的推进作用。

在F. C. Massabuau等人的工作中，选用了瑞士Attolight公司生产的Allalin 4207 SEM-CL系统进行时间分辨阴荧光光谱的测试。该仪器高的光谱分辨率和空间分辨率是揭示InGaN表面缺陷与其发光效率之间关系的关键。更为重要的是，该仪器皮秒级的时间分辨精度为实验揭示InGaN表面缺陷区域载流子的动力学机制提供了强有力地帮助，推进了InGaN制备高效绿光发光二管的研究。