Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體中極化場的調(diào)控.pdf

1、Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體在短波長高亮度發(fā)光二極管、高功率激光器、高靈敏度光探測器、以及高溫大功率電子器件等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。不同于傳統(tǒng)的Ⅲ—Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體具有極強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)。極化效應(yīng)在Ⅲ族氮化物的應(yīng)用中起著雙刃的作用，既有其危害處也有其得利處。對Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體中的極化場加以調(diào)控，避其短揚(yáng)其長，是人們渴望深入了解的課題。本論文圍繞Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體的極化效應(yīng)和極化場調(diào)控，結(jié)合第一性原理計(jì)算方法、

2、MOVPE生長技術(shù)、材料的結(jié)構(gòu)和性能測試，著重從理論設(shè)計(jì)和MOVPE外延生長兩方面開展了系統(tǒng)的研究，主要取得如下研究成果： 首次提出并構(gòu)建了Mg和Si定位共摻GaN結(jié)構(gòu)，以期實(shí)現(xiàn)局域極化場的調(diào)制。通過第一性原理計(jì)算模擬Mg和Si定位共摻GaN的電子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，定位共摻的Mg和Si雜質(zhì)做為一個(gè)整體，對導(dǎo)電并無貢獻(xiàn)，而是在GaN中形成了一個(gè)局域的極化場，在一定程度上提高了Mg的溶解度，減小了Mg受主激活能。 首次提出并構(gòu)建了M

3、g—和Si—δ共摻AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對超晶格的能帶調(diào)制。第一性原理計(jì)算模擬的Mg—和Si—δ共摻AlGaN/GaN超晶格能帶結(jié)構(gòu)表明，在AlGaN/GaN超晶格的界面處分別插入Mg和Si的δ摻雜層，改變了超晶格中的內(nèi)建電場，導(dǎo)致能帶彎曲程度急劇增大。根據(jù)所設(shè)計(jì)的Mg—和Si—δ共摻超晶格結(jié)構(gòu)，采用MOVPE技術(shù)外延生長了Mg—和Si—δ共摻p型AlGaN/GaN超晶格。Hall效應(yīng)與光致發(fā)光譜測試結(jié)果表明，相比于Mg調(diào)

4、制摻雜超晶格結(jié)構(gòu)，Mg—和Si—δ共摻超晶格結(jié)構(gòu)更有效地減小了Mg受主激活能，提高了Mg摻雜效率。進(jìn)一步將該超晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)用于深紫外LED的p型導(dǎo)電層，成功制備了Ⅰ—Ⅴ特性良好、電致發(fā)光主波長短至213 nm，且發(fā)光較強(qiáng)的深紫外發(fā)光二極管。 提出并構(gòu)建了Mg摻雜的InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)，通過摻雜實(shí)現(xiàn)了對量子阱極化場乃至量子能級的調(diào)制。第一性原理計(jì)算模擬Mg摻雜的InGaN/GaN量子阱的能帶結(jié)構(gòu)表明，在InGaN阱區(qū)內(nèi)摻入M

5、g雜質(zhì)，削弱了量子阱中的極化場，導(dǎo)致導(dǎo)帶與價(jià)帶邊的彎曲均有不同程度的減小，量子阱有效禁帶寬度從0.98 eV“恢復(fù)”至1.09 eV。根據(jù)理論設(shè)計(jì)，采用MOVPE技術(shù)外延生長了未摻雜和Mg摻雜InGaN/GaN多量子阱。通過電致發(fā)光譜的研究厘清了InGaN/GaN多量子阱的量子能級間的電子躍遷發(fā)光機(jī)制。在高注入電流情況下，InGaN/GaN多量子阱中出現(xiàn)了電子勢阱中第一電子能級到空穴勢阱中第一重空穴能級(1e—1hh)和第二重空穴能級(