掺杂GaN/AlN超晶格第一性原理计算研究

第一性原理计算方法在解释实验现象和预测新材料结构及其性质上有着重要作用.因此,通过基于密度泛函理论的第一性原理的方法,本文系统地研究了Mg和Si掺杂闪锌矿和纤锌矿两种晶体结构的GaN/AlN超晶格体系中的能量稳定性以及电学性质.结果表明:在势阱层(GaN层)中,掺杂原子在体系中的掺杂形成能不随掺杂位置的变化而发生变化,在势垒层(Al N层)中也是类似的情况,这表明对于掺杂原子来说,替代势垒层(或势阱层)中的任意阳离子都是等同的;然而,相比势阱层和势垒层的掺杂形成能却有很大的不同,并且势阱层的掺杂形成能远低于势垒层的掺杂形成能,即掺杂元素(MgGa,MgAl,SiGa和SiAl)在势阱区域的形成能更低,这表明杂质原子更易掺杂于结构的势阱层中.此外,闪锌矿更低的形成能表明:闪锌矿结构的超晶格体系比纤锌矿结构的超晶格体系更易于实现掺杂;其中,闪锌矿结构中,负的形成能表明:当Mg原子掺入闪锌矿结构的势阱层中会自发引起缺陷.由此,制备以闪锌矿结构超晶格体系为基底的p型半导体超晶格比制备n型半导体超晶格需要的能量更低并且更为容易制备.对于纤锌矿体系来说,制备p型和n型半导体的难易程度基本相同.电子态密度对掺杂体系的稳定性和电学性质进一步分析发现,掺杂均使得体系的带隙减小,掺杂前后仍然为第一类半导体.综上所述,本文内容为当前实验中关于纤锌矿结构难以实现p型掺杂问题提供了一种新的技术思路,即可通过调控相结构实现其p型掺杂.

静压下GaN/AlN应变超晶格的晶格动力学研究

利用弹性理论计算出静压下应变超晶格两种组分材料的纵向晶格常数的改变,并用来修正应变存在时的面间力常数.在此基础上研究了应变对GaN/AlN超晶格的L-声子的色散关系和振动模式的影响.结果表明,应变可以在一定程度上破坏GaN和AlN中L-声子的准限制模式.另外静压对L-声子的色散关系影响显著,而对原子的振动模式影响较小.

(GaN)_n/(AlN)_n应变层超晶格的电子结构

以FreeStanding条件生长的超晶格原胞为计算模型,运用LCAORecursion方法研究了(GaN)n/(AlN)n(001)应变层超晶格的电子结构.由计算结果分析了GaN/AlN应变层超晶格中Ga,Al和N之间的成键情况及其带隙Eg随超晶格层数n的变化趋势;当超晶格中存在空位时,带隙中将形成缺陷能级.最后分析了在超晶格中引入Mg掺杂后对超晶格电子结构的影响.

超晶格插入层对InGaN/GaN多量子阱的应变调制作用

在InGaN/GaN异质结构量子阱内存在巨大的压电极化场,这严重地削弱了量子阱的发光效率.为了减弱量子阱内的压电极化场,通常引入应变调制插入层提升器件的发光性能.为了研究InGaN/GaN超晶格的应变调制效果和机理,实验设计制备了具有n型InGaN/GaN超晶格插入层的外延结构及其对照样品.变温光致发光谱测试表明引入n型InGaN/GaN超晶格插入层的样品发光波长更短且内量子效率提升,相应的电致发光谱积分强度也显著增加且半宽减小,说明引入超晶格应变插入层可以在一定程度上抑制影响发光效率的量子限制Stark效应.理论计算结果表明:在生长有源区量子阱前引入超晶格应变层,可以削弱有源区量子阱内极化内建电场,减弱有源区量子阱能带倾斜,增加电子空穴波函数交叠,提高发射几率,缩短辐射复合寿命,有利于辐射复合与非辐射复合的竞争,实现更高的复合效率,从而提高发光强度.本文从实验和理论两方面验证了超晶格应变调制插入层可以有效改善器件性能,为器件的结构设计优化指明方向.

具有超晶格应力调制结构的绿光InGaN/GaN多量子阱的发光特性

研究了具有InGaN/GaN超晶格(SL)插入结构的绿光InGaN/GaN多量子阱(MQW)的发光特性。结构测试表明,SL插入结构并没有引起MQW中平均In组份的增加,而是改变了In组份的分布,形成了高In组份的量子点和低In组份量子阱。其电致发光(EL)谱和光致发光(PL)谱均出现了双发光峰。我们认为这两个峰分别来自于量子点和量子阱,且存在着载流子从阱向点转移的输运机制。最后变温PL积分强度的Arrhenius拟合表明,SL插入结构并没有在MQW中引入新的缺陷,使其发光效率下降。

AlxGa1-xN／AlN超晶格材料特性研究

用MOCVD技术在(0001)蓝宝石衬底上成功研制了2寸衬底上无裂纹的Al N/Al0.3Ga0.7N超晶格材料。研究了AlxGa1-xN/Al N超晶格材料特性。结果表明,缓冲层材料和结构对Al N/Al0.3Ga0.7N超晶格的表面型貌和界面特性有很大的影响。AFM研究表明利用GaN做支撑层生长的Al N/Al0.3Ga0.7N超晶格材料是一种准二维生长模式。XRD和SEM研究表明研制的材料表面平整、界面清晰、并且材料具有完整的周期重复性。利用紫外-可见光谱仪反射谱研究表明研制的30对Al N/Al0.3Ga0.7N超晶格材料在中心波长为313nm的紫外波段具有93.5%的反射率。

MOCVD外延Al_2O_3基AlGaN/GaN超晶格的结构和光学特性

通过X射线衍射分析、透射电镜观察、红外透射光谱分析、紫外-可见吸收光谱分析和光致发光试验,研究了用金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)的方法,在带有GaN缓冲层的蓝宝石(Al2O3)衬底上生长的AlGaN/GaN超晶格材料的微观结构、光吸收性质和发光特性。X射线衍射结果表明,GaN基材料均为纤锌矿六方结构,薄膜具有良好的结晶质量,薄膜生长沿c轴择优取向。透射电镜观察表明,超晶格试样的周期结构分布均匀,实际周期为13.3nm,且观察到高密度的位错存在于外延膜中。通过光学试验数据,确定了试样的光学吸收边都是在370nm附近,理论计算显示试样为直接跃迁型半导体,禁带宽度约为3.4eV。试样的折射率随光子能量的增加而增加、随波长的增加而减小,计算表明消光系数的极小值位于370nm处。光致发光测试分析表明,超晶格有很好的发光性能,并发现存在黄带发光。

刀具表面超晶格TiN/AlN纳米多层膜的制备及性能的研究

采用脉冲多弧离子镀技术制备TiN/AlN纳米多层膜,对该薄膜的结构研究表明,随着调制周期的减小,稳定态六方AlN相逐渐转变成亚稳态立方AlN相,形成以TiN/AlN超晶格结构为主的薄膜。并从与标准图谱的对比中可知,TiN/AlN超晶格是AlN在立方TiN簿膜的影响下,在TiN层上以亚稳态相立方结构外延生长所形成。另研究显示,TiN/AlN薄膜具有一定的超硬效应以及在硬质合金刀具上优良的使用性能。

超晶格插入层对Si基上GaN薄膜位错密度的影响(英文)

为了降低MOCVD外延生长Si基GaN的缺陷密度,尝试引入超晶格插入层。界面突变的超晶格插入层能有效地阻挡由缓冲层延伸出来的位错。即使超晶格本身也产生位错,但位错的产生率比阻挡率低,所以超晶格总体起阻挡作用,可以减少后续生长的HT-GaN(高温氮化镓)的位错密度。研究了超晶格厚度对HT-GaN的位错密度的影响,比较了超晶格厚度不同的3个样品,并采用高分辨双晶X射线衍射(DCXRD)对GaN进行结晶质量的分析,分别用H3PO4+H2SO4混合溶液和熔融KOH对样品进行腐蚀并用扫描电子显微镜(SEM)对腐蚀的样品进行观察。用H3PO4+H2SO4腐蚀过的样品比用KOH腐蚀过的样品的位错密度大,进一步验证了之前有报道过的H3PO4+H2SO4溶液同时腐蚀螺位错和混合位错而KOH只腐蚀螺位错。分析结果表明,引入适当厚度的超晶格插入层,可以有效地降低后续生长的GaN的位错密度。

GaN/AlGaN超晶格透射电镜分析

用MOCVD法生长了120周期的GaN/Al0.14Ga0.86N超晶格,激光剥离技术被有效地用于GaN/AlGaN超晶格截面透射电镜样品的制作.用透射电子显微镜观察到了清晰的超晶格及晶胞周期结构,电子衍射也表明生长的超晶格样品质量较好.在透射电镜图中看到了Al,Ga原子的聚居点,这些聚居点达到应力临界时将可能成为新缺陷的起点.同时观察到GaN缓冲层中的线缺陷大多呈现弯曲的弧形,这是外延生长导致的.

p型InGaN/GaN超晶格N面GaN基LED的光电特性

随着氮(N)面Ga N材料生长技术的发展,基于N面Ga N衬底的高亮度发光二极管(LED)的研究具有重要的科学意义。研究了具有高发光功率的N面Ga N基蓝光LED的新型结构设计,通过在N面LED的电子阻挡层和多量子阱有源层之间插入p型In Ga N/Ga N超晶格来提高有源层中的载流子注入效率。为了对比N面Ga N基LED优异的器件性能,同时设计了具有相同结构的Ga面LED。通过对两种LED结构的电致发光特性、有源层中能带图、电场和载流子浓度分布进行比较可以发现,N面LED在输出功率和载流子注入效率上比Ga面LED有明显的提升,从而表明N面Ga N基LED具有潜在的应用前景。

GaN/AlN半导体异质结带阶超原胞法计算

为了对GaN/AlN异质结电子结构有更为深入的认识,采用超原胞模型,对其进行了基于密度泛函理论的第一性原理计算.结果发现GaN/AlN为突变同型异质结,价带顶带阶为0.62eV,与实验值很接近.通过使用常用的平均键能法、平均势法和芯态法三种近似方法对GaN/AlN带阶的计算,比较得出,超原胞法虽然计算量较大,但能够给出异质结界面附近更为详细的信息,这一点其他三种近似方法无法得到,但他们也能够得出与实验值基本一致的带阶参量.

具有AlGaN/GaN超晶格的GaN基LED的PL分析

主要分析了具有p-ALGa N/Ga N超晶格的360 nm Ga N基LED的光学性能。插入的p-ALGa N/Ga N超晶格结构可以看做是提高空穴注入的空穴限制层。经过PL测试发现,PL谱出现了明显的双峰以及蓝带发光,前者是由插入的超晶格引起,而蓝带荧光则是由超晶格中深能级N空位与Mg浅受主能级之前的辐射跃迁引起的。

p-AlGaN/GaN超晶格做p型层350nm紫外AlGaN基LED

使用p-Al Ga N/p-Ga N SPSLs作为LED的p型层,在蓝宝石衬底上生长出发光波长为350 nm的Al Ga N基紫外LED。由于Al Ga N/Ga N超晶格的极化效应,使得Mg受主的电离能降低,大幅提高了器件的光学和电学性能。在工作电流为350 m A下发光亮度达到了22.66 m W,相应的工作电压为3.75 V,LEDs的光功率满足了实际应用需求。

非极性a面p型AlGaN/GaN超晶格MOCVD生长及特性表征

利用铟(In)表面活性剂辅助Mg-δ掺杂技术和金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,在r面蓝宝石衬底上成功生长了高空穴浓度的非极性a面p型Al0.6Ga0.4N/GaN超晶格样品。分别使用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)分析了生长的超晶格样品的表面形貌,并使用霍尔效应测试系统在室温下测量了经过电极制作和空气氛围退火处理的超晶格样品的空穴浓度和空穴迁移率。研究结果表明,在MOCVD生长过程中精心优化TMIn摩尔流量可以使该超晶格样品表面的均方根(RMS)粗糙度降低21.4%,同时其空穴浓度增加183.3%。因此,适量地引入In表面活性剂不仅可以明显改善非极性a面p型Al0.6Ga0.4N/GaN超晶格样品的表面形貌,而且能显著增强样品的空穴浓度。

InGaN/GaN量子阱结构的应变状态与微结构、物理性能关系的研究

应变普遍存在于失配系统中,包括晶格、热膨胀系数以及扩散系数等失配,其状态即应变是否弛豫及弛豫程度与物理性能密切相关。量子阱或超晶格的晶格应变弛豫发生的临界厚度问题是关系到器件设计、材料制备的基本问题,虽然从理论上已提出了多种计算模型,但不同的模型所计算出的结果差别很大,且不同的模型所使用的范围尚不确定。这就激发了从实验上予以研究的要求。另外,含N的III V族究竟适用何种模型尚无定论,且对其弛豫行为以及对性能的影响缺乏细致的研究。本文应用高分辨X射线衍射和透射电子显微技术研究了InGaN GaN量子阱结构的应变弛豫临界厚度、行为以及对物理性能的影响。得出InGaN GaN量子阱结构的应变弛豫临界厚度更适合基于介稳外延半导体结构应变弛豫的Fischer模型;失配位错为纯刃型位错,可通过滑移面的改变而形成穿透位错;弛豫发生后,非常明显地影响发光性能,尤其是室温下的发光性能。

使用AlN/GaN超晶格势垒层生长高Al组分AlGaN/GaN HEMT结构

在蓝宝石衬底上生长了以AlN/GaN超晶格准AlGaN合金作为势垒的HEMT结构材料,并与传统AlGaN合金势垒样品进行了对比.在高Al组分(≥40%)情况下,超晶格势垒样品的表面形貌明显改进,电学性能特别是2DEG面电子浓度也有所改进.对超晶格势垒生长参数进行了初步优化,使得HEMT结构薄层电阻进一步降低,最后获得了251Ω/□的薄层电阻.

AlN/InN和AlN/GaN超晶格能带结构研究

利用Krnig-Penney模型和形变势理论,从理论上探讨了纤锌矿型AlN/InN和AlN/GaN超晶格系统的能带结构及不同应变模式对能带结构的影响,计算得到了能带结构随各亚层参量变化的一般性规律、超晶格的能量色散关系、应变造成的影响以及不同亚层厚度的系统禁带宽度和导带第一子禁带宽度.研究发现,通过改变亚层厚度可以从不同形式设计能带结构,应变会改变系统禁带宽度,使带阶和子能带明显窄化,价带结构趋于复杂甚至生成准能带结构.与实验结果对比后发现,该模型适于模拟窄势阱结构超晶格,而对于宽势阱则必须考虑内建电场的作用.

GaN外延薄膜的研究进展

首先回顾GaN外延薄膜生长工艺。然后综述了高质量GaN外延薄膜生长技术的最新重要进展，主要的新技术有：横向外延生长技术；柔性衬底技术；多缓冲层技术；短周期超晶格（SPS）技术；沟道接触结技术以及四组分AlInGaN合金技术，最后对GaN外延薄膜生长技术的发展方向及应用前景提出了展望。

纤锌矿GaN和AIN声子态的面间力常数模型在六角GaN/AIN超晶格中的应用(英文)

用面间力常数模型计算了（０００１）方向纤锌矿结构ＧａＮ与ＡＩＮ的纵向振动特性．并利用该模型对（０００１）方向生长的六角结构的ＧａＮ／ＡＩＮ超晶格的纵向声子态进行了研究．着重讨论了超晶格声子的限制效应．