《宽禁带半导体发光材料》3.3氮化物材料的发展1

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1、氮化物材料的发展InGaN材料的发展及应用InGaN材料生长InGaN材料基础极性InGaN材料生长非极性InGaN材料生长InGaN基LED高内量子效率结构设计高光提取结构设计电流分布结构设计Droop效应微纳结构LEDInGaN基LEDInGaN材料可用于制备近紫外、蓝、绿、黄光LEDInGaN材料生长的困难氮化物材料发展历史关键点InGaN材料的发展1989年，Nagamoto等人利用MOVPE首次制备出InGaN材料，高能电子衍射显示已获得小颗粒单晶材料，XRD结果显示随着In组分的增加，材料晶格常数增大；由于生长设备及

2、技术限制，材料质量差，缺陷发光明显，尚不能实现带边发射。InGaN材料的发展1991年，Nakamura采用双束流MOCVD制备出高质量的单晶InGaN材料，获得了InGaN材料的带边发射，通过控制生长条件实现了薄膜材料中In组分的控制并入及禁带带边发射。低In组分高In组分InGaN材料PL光谱波长与铟组分关系图InGaN材料的发展1994年，经过多年InGaN层的优化生长，第一颗InGaN双异质结高亮度蓝光LED诞生(2.5mWOutputPower@450nm)。InGaN/AlGaNDoubleHeterostructureLEDOutpu

3、tPowervs.CurrentInGaN材料的发展1995年，Nakamura制备出高铟组分的InGaN双异质结高亮度绿光LED诞生(3mWand6.3%EQE)；同年，实现高铟组分InGaN黄光LED。FirstInGaN/AlGaNDouble电致发光谱HeterostructuregreenLEDIn组分20%43%70%InGaN材料的发展1996年，Nakamura制备出第一只InGaN多量子阱激光器，发射波长为417nm的紫光。LaserStructureusingInGaNLightOutputvs.CurrentInGaN基材料在

4、LED中的应用SolidStateLightingDecorativeLightingAutomobileLightingDisplaysAgricultureIndoorLightingInGaN基材料在光伏中的应用InGaN材料具有宽的能带范围，其尽带宽度在0.7~3.4eV范围内可调，该范围与太阳光谱（0.4~4eV）几乎完美匹配，通过控制In组分可以调控出合适的禁带宽度，制备出与太阳光谱匹配的全光谱光伏电池；InGaN材料具有良好的抗辐照性能；InGaN材料具有高的光吸收系数；InGaN材料制造过程中不涉及剧毒物质，大大提高了制造过程的

5、安全；氮化物材料的发展InGaN材料的发展及应用InGaN材料生长InGaN材料基础极性InGaN材料生长非极性InGaN材料生长InGaN基LED高内量子效率结构设计高光提取结构设计电流分布结构设计Droop效应微纳结构LEDInGaN材料结构性质InGaN材料是元素周期表中IIIA族元素与VA族元素形成的多元合金，其化学键主要是共价键，但化学中存在相当大的离子键成分，它决定了各结构相的稳定性。GaN和InN可以结晶成下列三种结构(1)纤锌矿结构；(2)闪锌矿结构(3)岩盐矿结构；在通常条件下，其热力学自然稳定相是纤锌矿结构

6、，二闪锌矿是亚稳态结构，MOCVD生长的InGaN材料以纤锌矿结构为主。III族氮化物晶体结构示意图（a）纤锌矿结构（b）闪锌矿结构InGaN材料的带隙变化InGaN材料的禁带宽度与应变相关，不同方向上存在应力的各向异性，导致InGaN材料的禁带宽度随晶向发生变化；InGaN薄膜禁带宽度与c轴倾转角的关系InGaN材料中的缺陷•刃位错、螺位错、混合位错、堆叠层错、V-pits•V-pits形成原因与螺位错以及混合位错相关•.刃位错在InGaN层中易发生弯曲•InGaN层中位错缺陷的主要来自于底层材料的延伸不同In组分InGaN材料中的微结构CLSpe

7、ctraforx~(0.07-0.35)InGaN材料中的位错缺陷主要来自于下层材料；In组分越高，缺陷浓度越高，晶体质量越差；In组分升高，光谱红移，强度SEMandXTEMimagesforx~(0.07-0.35)下降。InGaN薄膜外延生长过程1.In原子并入InGaN体材料2.In原子从样品生长表面解吸附3.In原子在生长表面形成In金属滴In组分并入效率由于GaN与InN两种材料的原子在面内晶格常数差别较大（11%），且生长时InN的氮气平衡蒸汽压远大于GaN的氮气平衡蒸汽压，使得GaN与InN难以混溶，容易产生相分离。相分离一种

8、均匀分布的混合物能够自发地或是在某种条件下(比如降低温度)分离成两种不同的物质，称为相分离。