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Effects of photogenerated carriers in GaN layers on the photoluminescence characteristics of violet light-emitting InGaN/GaN multiple quantum wells
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资源说明：Effects of photogenerated carriers in GaN layers on the photoluminescence characteristics of violet light-emitting InGaN/GaN multiple quantum wells
本文研究了GaN层中光生载流子对紫色发光InGaN/GaN多量子阱(MQW)的光致发光特性的影响。文中通过使用325nm He-Cd激光进行温度依赖性光致发光测量，研究了具有不同GaN势垒厚度的两个紫色发光InGaN/GaN多量子阱结构。在低温下，由于较厚GaN势垒层增加的光生载流子，厚势垒MQWs的发光强度得到了增强，即便量子阱中的极化场增强了。然而，随着温度的升高，在100K到150K之间，两种样品均观察到发光强度的异常增加。这可能是由于从p型GaN和n型GaN层向耗尽区域迁移的热载流子导致InGaN量子阱中的非平衡载流子增加所致。因此，GaN层中光生载流子对InGaN量子阱的发光特性有影响。
具体来说，量子阱是由两种不同禁带宽度的半导体材料交替构成的多层薄膜结构，其中禁带较窄的一层是量子阱层，禁带较宽的一层则是势垒层。这种结构能限制载流子的运动，增强量子效应，从而在光电子器件中获得高效的发光性能。在本研究中，InGaN/GaN体系作为多量子阱结构，被广泛应用于制造高效蓝色及近紫外光LED和LD（激光二极管）。
GaN是一种宽禁带的直接能隙半导体材料，具有优异的物理、化学和热稳定性，以及较高的电子饱和漂移速度和高的热导率，使其成为制造短波长光电器件的理想材料。但是，GaN材料存在固有的自发和压电极化效应，这会影响载流子的输运和复合特性，进而影响器件的光电性能。
在研究中使用温度依赖性光致发光(PL)测量是分析半导体材料光电特性的一个重要手段。通过测量不同温度下的光致发光光谱，可以研究载流子在材料中的复合过程，了解温度如何影响材料内部的电子结构和光学特性。例如，温度对半导体发光特性的改变可以表现为发光峰的漂移、半高宽的变化以及发光强度的增强或减弱等现象。
在此研究中，研究人员还着重观察了量子阱结构中载流子的迁移和复合情况，这对理解量子阱发光机制非常重要。光生载流子，是指在光照条件下由材料内部产生的电子和空穴对，它们的生成与材料的吸收特性紧密相关。在InGaN量子阱结构中，光生载流子的产生及其动态行为会直接影响发光效率。在GaN层内，光生载流子的分布、迁移和复合特性都可能对量子阱的发光产生影响。
本项研究的结论在于，量子阱结构中光生载流子的性质、数量及其迁移行为会随温度的变化而变化，从而影响到InGaN量子阱发光特性。研究发现，当GaN势垒层厚度增加时，在低温条件下会增加光生载流子的数量，从而提高发光强度。但在温度上升时，p型和n型GaN层中的热载流子向耗尽区域的迁移会导致非平衡载流子数量的增加，这在100K到150K温度范围内会导致发光强度的异常增加。因此，理解并优化GaN层内光生载流子的特性是提高InGaN/GaN量子阱发光器件性能的关键因素之一。
这项工作强调了量子阱器件设计中对势垒层厚度控制的重要性，以及温度对光生载流子产生和迁移特性的影响。通过精确调节势垒层厚度和控制器件工作温度，有望实现InGaN/GaN量子阱发光器件的性能优化。这些发现对于未来的高效发光二极管和激光二极管的设计和制造具有重要的指导意义。
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