高Al组分AlGaN材料中的光学偏振特性及其调控

摘要

相比于传统紫外光源（如汞灯和氙灯），AlGaN半导体紫外光电子器件具有无汞污染、波长可调、体积小、集成性好、耐高温、抗辐射以及能耗低、寿命长等优点，在工业、农业、国防和医疗卫生等领域都有着广阔的应用前景和巨大的市场需求。然而，由于高Al组分AlGaN材料中存在诸多问题，例如外延生长困难、p型掺杂率低、发光偏振特性独特等等，导致深紫外波段器件的发光效率普遍较低，制约了深紫外发光器件的发展与应用。本论文采用第一性原理的计算模拟方法，围绕AlGaN材料中的光学偏振特性及其调控开展了系统的研究工作，以探索提高高Al组分AlGaN材料带边跃迁光发射沿c轴方向传播比率的新途径。具体的研究工作如下:
　　首先，模拟分析了不同Al组分混晶材料的能带结构以及光学响应函数，结果显示，随Al组分增加，晶体场分裂带逐渐往高能方向移动并最终取代重/轻空穴带成为价带顶，晶体场分裂能逐渐减小且正值转变为负值。从而导致E⊥c的带边辐射复合跃迁几率降低，而E//c的迅速增加，最终使得高Al组分AlGaN材料中带边辐射复合发光偏振态为侧向传播的TM(Transverse magnetic)模。这从根本上限制了光沿着c轴方向抽取的深紫外发光器件的出光效率，导致器件性能急剧下降。
　　其次，详细研究了双轴应变作用下AlGaN材料的能带结构和光学偏振特性。结果表明，在AlGaN材料上施加张应力时，其晶体场分裂带依旧占据着价带顶，晶体场分裂能绝对值增大，导致其光学各向异性愈加显著;而当施加的应力转变为压应力时，其晶体场分裂带逐渐往低能方向移动，而重/轻空穴带则往高能方向移动，使得二者能量差距减小甚至由负值转变为正值，进而导致其带边跃迁光偏振特性由侧向传播的TM模转变为正向传播的TE(Transverse electric)模占主导。由此说明，通过控制AlGaN材料中的应变，即可调控其带边发光偏振态。
　　再次，探讨了组分均匀性对AlGaN混晶材料的能带结构和光学偏振特性的调控作用。结果表明，当Ga原子由分散逐渐趋于集中分布，即组分均匀性变差时，晶体场分裂带逐渐下移，而重/轻空穴带逐渐上移，使得晶体场分裂能增大且由负值转向正值，进而导致其带边跃迁光偏振特性由侧向传播的TM模转变为正向传播的TE模占主导。通过考察比较不同原子位置的键长变化发现，能带结构发生的变化主要归因于Ga原子掺入引起晶格发生畸变，形成局域压应变场，且当Ga原子越集中，所形成的压应变场越大。由此说明，我们可通过人工手段控制混晶材料中的均匀性实现局域应变场的调控，进而调整AlGaN材料的能带和光学偏振特性，提高其正向传播的TE偏振光比例，为解决深紫外发光器件光抽取效率低的问题提供一个有效途径。
　　最后，探讨了Mg原子的掺杂模式和掺杂浓度对AlN能带结构和光学偏振特性的调控作用。结果表明，在相同掺杂浓度情况下，均匀掺杂将在AlN材料中沿[0001]方向交替形成局域的张应变和压应变场，导致张/压应变所带来的能带调制效果相互抵消，使得晶体场分裂能仅为9.5 meV，此时，带边跃迁基本呈现光学各向同性;而在δ掺杂结构中，AlN晶格基本处于压应变状态，且靠近Mg原子层附近，其压应变量约为-1％，使得重轻空穴带取代了晶体场分裂带成为价带顶，且晶体场分裂能高达523 meV，进而将使AlN材料带边发光的偏振态转变为100％的TE模。在相同掺杂模式情况下，δ掺杂结构中晶体场分裂能随掺杂浓度的增加而增大，而均匀掺杂结构中晶体场分裂能则随掺杂浓度的增加而减小。由此表明，在AlN材料中，以δ掺杂模式引入Mg杂质更有利于形成局域压应变场，从而有效调控AlN能带结构，使其发生能带反转，带边发光的偏振态转变为正向传播的TE模，有望大幅提升材料的光正面出射比例。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 AlGaN基深紫外发光器件研究进展

1．3 AlGaN基深紫外发光器件研究瓶颈

1．3．1 AlGaN材料外延生长

1．3．2 AlGaN材料的强极化效应

1．3．3 AlGaN材料的p型掺杂

1．3．4 AlGaN材料的光学各向异性

1．4 论文框架

参考文献

第二章 AlGaN体材料的基本性质计算

2．1 第一性原理模拟计算方法

2．1．1 第一性原理计算概述

2．1．2 第一性原理常用计算软件-VASP程序包

2．2 AlGaN混晶结构模型构建

2．3 AlGaN材料的能带结构及其光学偏振特性

2．4 本章小结

参考文献

第三章 双轴应变作用下AlGaN材料的能带结构和光偏振特性

3．1 应力场的构建

3．2 双轴应变作用下AlN的能带结构和光学偏振特性

3．3 双轴应变作用下AlGaN混晶材料的能带结构和光学偏振特性

3．4 本章小结

参考文献

第四章 组分均匀性对AlGaN混晶材料的能带结构和光学偏振特性的调控

4．1 引言

4．2 不同组分均匀性的AlGaN混晶材料模型构建

4．3 组分均匀性对能带结构和光学响应函数的影响

4．4 组分均匀性对局域应力场分布的影响

4．5 本章小结

参考文献

第五章 掺杂对AlN体材料的能带结构和光学偏振特性的调控

5．1 引言

5．2 掺杂模式对AlN能带结构和光学偏振特性的调控作用

5．2．1 掺杂模型构建

5．2．2 结果与讨论

5．3 掺杂浓度对AlN能带结构和光学偏振特性的调控作用

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

附录 硕士期间发表论文

致谢