研究了InGaN/GaN超晶格准备层的生长温度对Si衬底GaN基黄光LED光电特性和老化性能的影响。研究发现准备层生长温度较高的样品外量子效率高于准备层生长温度较低的样品。500 mA电流下老化1 000 h后, 准备层生长温度较高的样品的光衰相对更大。老化前后100 K的电致发光光谱显示高温生长的样品老化后的空穴注入途径发生变化; 老化后光衰大的样品非辐射复合中心增加的程度更大。荧光显微镜观察到两个样品老化前均出现大量暗斑, 高温样品的颜色更深更黑, 低温样品颜色则相对较浅且呈红色。老化后高温样品的暗斑数量有所增加, 而低温样品数量变化不大, 这可能也是导致超晶格温度高的样品光衰更大的原因之一。

利用MOCVD技术在图形化Si(111)衬底上生长了InGaN/GaN绿光LED外延材料。在GaN量子垒的生长过程中, 保持NH3流量不变, 通过调节三乙基镓(TEGa)源的流量来改变垒生长速率, 研究了量子垒生长速率对LED性能的影响。使用二次离子质谱仪(SIMS)和荧光显微镜(FLM)分别对量子阱的阱垒界面及晶体质量进行了表征, 使用电致发光测试系统对LED光电性能进行了表征。实验结果表明, 垒慢速生长, 在整个测试电流密度范围内, 外量子效率(EQE)明显提升。我们认为, 小电流密度下, EQE的提升归结为量子阱晶体质量的改善; 而大电流密度下, EQE的提升则归结为阱垒界面陡峭程度的提升。

采用MOCVD技术在硅衬底上生长了含有7个黄光量子阱和1个绿光量子阱的混合有源区结构的InGaN基黄绿双波长LED外延材料, 研究了电子阻挡层前p-GaN插入层厚度对黄绿双波长LED载流子分布及外量子效率 (EQE) 的影响。通过LED变温电致发光测试系统对LED光电性能进行了表征。结果表明, 100 K小电流时随着电流密度的增大, 三组样品的绿光峰与黄光峰相对强度的比值越来越大, 且5.5 A·cm-2的电流密度下, 随着温度从300 K逐步降低至100 K, 三组样品的绿光峰与黄光峰相对强度的比值也越来越大, 说明其载流子都在更靠近p型层的位置发生辐射复合。三组样品的p-GaN插入层厚度为0, 10, 30 nm时, EQE峰值依次为29.9%、29.2%和28.2%, 呈现依次减小的趋势, 归因于p-GaN插入层厚度越大, p型层越远离有源区, 空穴注入也越浅。电子阻挡层前p-GaN插入层可以有效减小器件EL光谱中绿光峰随着电流密度增加时峰值波长的蓝移 (33 nm), 实现了对低温发光光谱的调控。

基于含有V坑结构的Si（111）衬底InGaN/GaN绿光LED, 我们在传统p-AlGaN电子阻挡层之后优化生长一层25 nm的低掺镁p-AlGaN插入层, 并获得明显的效率提升。在35 A/cm2的电流密度下, 主波长为520 nm的LED外量子效率和光功率分别达到43.6%和362.3 mW, 这是截至目前报道的最高记录。通过分析表明, 其潜在的物理机制归结于p-AlGaN插入层能够提高空穴从V坑注入的效率。本文提供了一种有效提升发光效率的方法, 尤其适合于含有V坑结构的InGaN/GaN LED。

用MOCVD技术在硅衬底上生长了GaN基蓝光LED外延材料，研究了有源层多量子阱中垒的生长温度对发光效率的影响，获得了不同电流密度下外量子效率(EQE)随垒温的变化关系。结果表明，在860~915 ℃范围内，发光效率随着垒温的上升而上升。当垒温超过915 ℃后，发光效率大幅下降。这一EL特性与X光双晶衍射和二次离子质谱所获得的阱垒界面陡峭程度有明显的对应关系，界面越陡峭则发光效率越高。垒温过高使界面变差的原因归结为阱垒界面的原子扩散。垒温偏低使界面变差的原因归结为垒对前一个量子阱界面的修复作用和为后一个量子阱提供台阶流界面的能力偏弱。外延生长时的最佳垒温范围为895~915 ℃。

采用条形Al掩模在Si(111)衬底上进行了GaN薄膜侧向外延的研究。结果显示, 当掩模条垂直于Si衬底[11-2]方向, 也即GaN[10-10]方向时, GaN无法通过侧向生长合并得到表面平整的薄膜; 当掩模条平行于Si衬底[11-2]方向, 也即GaN [10-10]方向时, GaN侧向外延速度较快, 有利于合并得到平整的薄膜。同时, 研究表明, 升高温度和降低生长气压都有利于侧向生长。通过优化生长工艺, 在条形Al掩模Si(111)衬底上得到了连续完整的GaN薄膜。原子力显微镜测试显示, 窗口区域生长的GaN 薄膜位错密度约为1×109/cm2, 而侧向生长的GaN薄膜位错密度降低到了5×107/cm2以下。

用常压金属化学气相沉积法(MOCVD)在Si(111)衬底上制备了马赛克结构ZnO单晶薄膜。引入低温AlN缓冲层以阻止衬底氧化、缓解热失配和晶格失配。薄膜双晶X射线衍射2θ/ω联动扫描只出现了Si(111)、ZnO(000l)及AlN(000l)的衍射峰。ZnO/AlN/Si(111) 薄膜C方向晶格常量为0.5195 nm，表明在面方向处于张应力状态;其对称(0002)面和斜对称(1012)面的双晶X射线衍ω摇摆曲线半峰全宽分别为460″和1105″;干涉显微镜观察其表面有微裂纹，裂纹密度为20 cm-1;3 μm×3 μm范围的原子力显微镜均方根粗糙度为1.5 nm;激光实时监测曲线表明薄膜为准二维生长,生长速率4.3 μm/h。低温10 K光致发光光谱观察到了薄膜的自由激子、束缚激子发射及它们的声子伴线。所有结果表明，采用金属化学气相沉积法并引入AlN为缓冲层能有效提高Si(111)衬底上ZnO薄膜的质量。