寬禁帶Ⅲ族氮化物極化特性的研究.pdf

1、以GaN為代表的寬禁帶III族氮化物在高能、高頻、功率以及光電器件中有重要的應(yīng)用的價(jià)值。由于晶體結(jié)構(gòu)中心不對(duì)稱，材料中存在著強(qiáng)的自極化效應(yīng)?；诖耍疚闹饕芯繉捊麕?III族氮化物的極化特性，以及極化效應(yīng)在寬禁帶 III族氮化物基器件中的應(yīng)用。
　　首先，本文介紹了第一性原理計(jì)算方法和理論模型，利用 CASTEP軟件包基于第一性原理計(jì)算，研究了GaN和AlGaN的能帶結(jié)構(gòu)以及電子態(tài)密度。分析了價(jià)電子處在的能級(jí)位置。利用DOML軟

2、件包基于第一性原理計(jì)算，研究了GaN/AlN超晶格中極化效應(yīng)對(duì)電子態(tài)密度以及電荷分布的影響。在極化效應(yīng)的作用下， Ga原子處于價(jià)帶底的3d態(tài)電子躍遷到上價(jià)帶頂和導(dǎo)帶中。在異質(zhì)結(jié)的結(jié)面處，出現(xiàn)了正電荷和負(fù)電荷堆積現(xiàn)象。
　　通過自洽求解薛定諤方程和泊松方程，研究了極化效應(yīng)對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中二維電子氣的作用。無需雜質(zhì)摻雜，利用極化誘導(dǎo)摻雜獲得了濃度為1019cm-3量級(jí)的二維電子氣?？偨Y(jié)了不同Al組分和不同AlGaN薄膜厚度

3、，極化誘導(dǎo)二維電子氣濃度和分布變化的規(guī)律。深入的研究了極化誘導(dǎo)摻雜提高寬禁帶III族氮化物摻雜效率的問題。無需雜質(zhì)摻雜，沿[0001]晶向方向，線性的增加AlGaN薄膜Al的組分，獲得了電子濃度達(dá)到1019cm-3量級(jí)的n型AlGaN薄膜。無需雜質(zhì)摻雜，在Si襯底上制備出具有二極管電學(xué)特性的極化誘導(dǎo)摻雜的高Al組分AlGaN基PN結(jié)。
　　最后運(yùn)用 Silvaco軟件中的ATLAS半導(dǎo)體器件仿真器，分析了極化效應(yīng)對(duì)AlGaN基紫外

4、LED發(fā)光效率的影響。由極化效應(yīng)產(chǎn)生的極化電場，導(dǎo)致能帶彎曲，電子空穴波函數(shù)空間分離，溢出電流增加。對(duì)N-face AlGaN基紫外LED的光學(xué)特性和輻射光譜進(jìn)行了研究，并與Ga-face AlGaN基紫外LED對(duì)比。在N-face AlGaN紫外LED中引入了階梯結(jié)構(gòu)的電子注入層。通過分析光譜、電流-輸出光功率特性曲線、能帶結(jié)構(gòu)圖以及載流子輻射復(fù)合速率，結(jié)果表明相對(duì)于Ga-face的紫外LED， N-face的紫外LED具有更好的光學(xué)