高Al組分AlGaN材料中的光學(xué)偏振特性及其調(diào)控.pdf

1、相比于傳統(tǒng)紫外光源（如汞燈和氙燈），AlGaN半導(dǎo)體紫外光電子器件具有無汞污染、波長(zhǎng)可調(diào)、體積小、集成性好、耐高溫、抗輻射以及能耗低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)需求。然而，由于高Al組分AlGaN材料中存在諸多問題，例如外延生長(zhǎng)困難、p型摻雜率低、發(fā)光偏振特性獨(dú)特等等，導(dǎo)致深紫外波段器件的發(fā)光效率普遍較低，制約了深紫外發(fā)光器件的發(fā)展與應(yīng)用。本論文采用第一性原理的計(jì)算模擬方法，圍繞Al

2、GaN材料中的光學(xué)偏振特性及其調(diào)控開展了系統(tǒng)的研究工作，以探索提高高Al組分AlGaN材料帶邊躍遷光發(fā)射沿c軸方向傳播比率的新途徑。具體的研究工作如下:
　　首先，模擬分析了不同Al組分混晶材料的能帶結(jié)構(gòu)以及光學(xué)響應(yīng)函數(shù)，結(jié)果顯示，隨Al組分增加，晶體場(chǎng)分裂帶逐漸往高能方向移動(dòng)并最終取代重/輕空穴帶成為價(jià)帶頂，晶體場(chǎng)分裂能逐漸減小且正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值。從而導(dǎo)致E⊥c的帶邊輻射復(fù)合躍遷幾率降低，而E//c的迅速增加，最終使得高Al組分A

3、lGaN材料中帶邊輻射復(fù)合發(fā)光偏振態(tài)為側(cè)向傳播的TM(Transverse magnetic)模。這從根本上限制了光沿著c軸方向抽取的深紫外發(fā)光器件的出光效率，導(dǎo)致器件性能急劇下降。
　　其次，詳細(xì)研究了雙軸應(yīng)變作用下AlGaN材料的能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)偏振特性。結(jié)果表明，在AlGaN材料上施加張應(yīng)力時(shí)，其晶體場(chǎng)分裂帶依舊占據(jù)著價(jià)帶頂，晶體場(chǎng)分裂能絕對(duì)值增大，導(dǎo)致其光學(xué)各向異性愈加顯著;而當(dāng)施加的應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力時(shí)，其晶體場(chǎng)分裂帶逐漸往

4、低能方向移動(dòng)，而重/輕空穴帶則往高能方向移動(dòng)，使得二者能量差距減小甚至由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，進(jìn)而導(dǎo)致其帶邊躍遷光偏振特性由側(cè)向傳播的TM模轉(zhuǎn)變?yōu)檎騻鞑サ腡E(Transverse electric)模占主導(dǎo)。由此說明，通過控制AlGaN材料中的應(yīng)變，即可調(diào)控其帶邊發(fā)光偏振態(tài)。
　　再次，探討了組分均勻性對(duì)AlGaN混晶材料的能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)偏振特性的調(diào)控作用。結(jié)果表明，當(dāng)Ga原子由分散逐漸趨于集中分布，即組分均勻性變差時(shí)，晶體場(chǎng)分裂帶

5、逐漸下移，而重/輕空穴帶逐漸上移，使得晶體場(chǎng)分裂能增大且由負(fù)值轉(zhuǎn)向正值，進(jìn)而導(dǎo)致其帶邊躍遷光偏振特性由側(cè)向傳播的TM模轉(zhuǎn)變?yōu)檎騻鞑サ腡E模占主導(dǎo)。通過考察比較不同原子位置的鍵長(zhǎng)變化發(fā)現(xiàn)，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化主要?dú)w因于Ga原子摻入引起晶格發(fā)生畸變，形成局域壓應(yīng)變場(chǎng)，且當(dāng)Ga原子越集中，所形成的壓應(yīng)變場(chǎng)越大。由此說明，我們可通過人工手段控制混晶材料中的均勻性實(shí)現(xiàn)局域應(yīng)變場(chǎng)的調(diào)控，進(jìn)而調(diào)整AlGaN材料的能帶和光學(xué)偏振特性，提高其正向傳播的T

6、E偏振光比例，為解決深紫外發(fā)光器件光抽取效率低的問題提供一個(gè)有效途徑。
　　最后，探討了Mg原子的摻雜模式和摻雜濃度對(duì)AlN能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)偏振特性的調(diào)控作用。結(jié)果表明，在相同摻雜濃度情況下，均勻摻雜將在AlN材料中沿[0001]方向交替形成局域的張應(yīng)變和壓應(yīng)變場(chǎng)，導(dǎo)致張/壓應(yīng)變所帶來的能帶調(diào)制效果相互抵消，使得晶體場(chǎng)分裂能僅為9.5 meV，此時(shí)，帶邊躍遷基本呈現(xiàn)光學(xué)各向同性;而在δ摻雜結(jié)構(gòu)中，AlN晶格基本處于壓應(yīng)變狀態(tài)，且靠近

7、Mg原子層附近，其壓應(yīng)變量約為-1％，使得重輕空穴帶取代了晶體場(chǎng)分裂帶成為價(jià)帶頂，且晶體場(chǎng)分裂能高達(dá)523 meV，進(jìn)而將使AlN材料帶邊發(fā)光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?00％的TE模。在相同摻雜模式情況下，δ摻雜結(jié)構(gòu)中晶體場(chǎng)分裂能隨摻雜濃度的增加而增大，而均勻摻雜結(jié)構(gòu)中晶體場(chǎng)分裂能則隨摻雜濃度的增加而減小。由此表明，在AlN材料中，以δ摻雜模式引入Mg雜質(zhì)更有利于形成局域壓應(yīng)變場(chǎng)，從而有效調(diào)控AlN能帶結(jié)構(gòu)，使其發(fā)生能帶反轉(zhuǎn)，帶邊發(fā)光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變