AIGsN摻雜量子阱設(shè)計(jì)和外延生長(zhǎng).pdf

1、寬禁帶Ⅲ-V族氮化物半導(dǎo)體由于其材料具有禁帶寬度大、電子遷移率高、介電常數(shù)小、電子有效質(zhì)量較小等特性，在光電子領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。在過(guò)去多年中，氮化物半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)研究主要是超晶格量子阱結(jié)構(gòu)，其性能在不斷完善的工藝技術(shù)支持下有很大的發(fā)展空間。量子阱作為許多光電器件的核心功能部件，其最重要的應(yīng)用是作為光電器件的有源層，束縛載流子并進(jìn)行量子能級(jí)的躍遷和復(fù)合，量子阱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)影響著光電器件的各種性能。然而，氮化物量子阱異質(zhì)界面處有

2、著強(qiáng)烈的極化效應(yīng)，極化效應(yīng)引起的內(nèi)建電場(chǎng)使得量子阱能帶發(fā)生彎曲并進(jìn)一步影響著量子阱的光電性質(zhì)。因此調(diào)控量子阱中的極化場(chǎng)對(duì)能帶彎曲的影響對(duì)于改變器件的性能起到了至關(guān)重要的作用。
　　本文基于氮化物量子阱的基本性質(zhì)，從理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)生長(zhǎng)兩方面系統(tǒng)研究了AlGaN量子阱并通過(guò)引入Si原子來(lái)探索摻雜對(duì)其內(nèi)部場(chǎng)的調(diào)制以及光電性質(zhì)的影響。在理論上，采用第一性原理構(gòu)建AlGaN量子阱原子模型并預(yù)測(cè)其物理特性，結(jié)合理論模擬結(jié)果，利用MOVPE技術(shù)

3、外延生長(zhǎng)AlGaN量子阱并對(duì)材料進(jìn)行相應(yīng)的表征。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　在理論計(jì)算中，利用VASP軟件包構(gòu)建模擬AlGaN量子阱原子模型，并在阱層和壘層的不同位置摻雜Si原子來(lái)探索摻雜對(duì)量子阱的極化場(chǎng)、能帶結(jié)構(gòu)、能級(jí)排布、載流子分離的影響。從模擬結(jié)果，可以看出對(duì)于非摻雜量子阱，極化效應(yīng)引起的能帶彎曲造成導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂被分別局域在阱內(nèi)相反的兩個(gè)界面，使得載流子發(fā)生空間上的分離。摻入一個(gè)Si原子后，被代替的原子周?chē)鷷?huì)多出一個(gè)電子并形成

4、一個(gè)負(fù)電中心，宏觀勢(shì)曲線受這個(gè)負(fù)電中心作用而下降，導(dǎo)致局域宏觀勢(shì)的偏移。不同的摻雜位置有不同的偏移，這使得內(nèi)部場(chǎng)得到調(diào)制，從而進(jìn)一步影響能帶的彎曲以及電子和空穴的分布情況。在幾種不同的摻雜位置中，阱中摻雜Si原子能使電子與空穴主峰值的空間距離大大降低，量子能級(jí)之間的交疊程度得到了大幅提高，一定程度上提升了量子能級(jí)間的躍遷幾率。因此阱中摻雜Si原子是克服量子阱內(nèi)電子空穴空間分離效應(yīng)的一種有效途徑，有利于提高復(fù)合效率和發(fā)光效率。
　　

5、在實(shí)驗(yàn)中，采用MOVPE技術(shù)在藍(lán)寶石(0001)面襯底生長(zhǎng)了的AlGaN量子阱。在外延量子阱之前，采用AlN緩沖層來(lái)提高外延晶體質(zhì)量;采用脈沖原子層外延技術(shù)來(lái)增強(qiáng)原子的表面遷移率，降低內(nèi)部張應(yīng)力，使表面平整度達(dá)到原子尺度;采用生長(zhǎng)中斷技術(shù)控制生長(zhǎng)表面的平整度從而獲得較陡峭的異質(zhì)界面。在性能測(cè)試上，利用光致發(fā)光譜(PL)和電致發(fā)光譜(EL)對(duì)樣品進(jìn)行表征，獲得波長(zhǎng)約為298nm紫外發(fā)光峰，發(fā)光強(qiáng)度明顯，發(fā)光峰狹窄，表明外延效果較好。接著在