AIGsN摻雜量子阱設(shè)計和外延生長.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，束縛載流子并進行量子能級的躍遷和復(fù)合，量子阱的結(jié)構(gòu)設(shè)計和生長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、著強烈的極化效應(yīng)，極化效應(yīng)引起的內(nèi)建電場使得量子阱能帶發(fā)生彎曲并進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對能帶彎曲的影響對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)，從理論計算和實驗生長兩方面系統(tǒng)研究了AlGaN量子阱并通過引入Si原子來探索摻雜對其內(nèi)部場的調(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AlGaN量子阱并對材料進行相應(yīng)的表征。具體研究內(nèi)容如下:
　　在理論計算中，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原子來探索摻雜對量子阱的極化場、能帶結(jié)構(gòu)、能級排布、載流子分離的影響。從模擬結(jié)果，可以看出對于非摻雜量子阱，極化效應(yīng)引起的能帶彎曲造成導(dǎo)帶底和價帶頂被分別局域在阱內(nèi)相反的兩個界面，使得載流子發(fā)生空間上的分離。摻入一個Si原子后，被代替的原子周圍會多出一個電子并形成

4、一個負(fù)電中心，宏觀勢曲線受這個負(fù)電中心作用而下降，導(dǎo)致局域宏觀勢的偏移。不同的摻雜位置有不同的偏移，這使得內(nèi)部場得到調(diào)制，從而進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、在實驗中，采用MOVPE技術(shù)在藍寶石(0001)面襯底生長了的AlGaN量子阱。在外延量子阱之前，采用AlN緩沖層來提高外延晶體質(zhì)量;采用脈沖原子層外延技術(shù)來增強原子的表面遷移率，降低內(nèi)部張應(yīng)力，使表面平整度達到原子尺度;采用生長中斷技術(shù)控制生長表面的平整度從而獲得較陡峭的異質(zhì)界面。在性能測試上，利用光致發(fā)光譜(PL)和電致發(fā)光譜(EL)對樣品進行表征，獲得波長約為298nm紫外發(fā)光峰，發(fā)光強度明顯，發(fā)光峰狹窄，表明外延效果較好。接著在