宽禁带Ⅲ族氮化物极化特性的研究

摘要

以GaN为代表的宽禁带III族氮化物在高能、高频、功率以及光电器件中有重要的应用的价值。由于晶体结构中心不对称，材料中存在着强的自极化效应。基于此，本文主要研究宽禁带 III族氮化物的极化特性，以及极化效应在宽禁带 III族氮化物基器件中的应用。
　　首先，本文介绍了第一性原理计算方法和理论模型，利用 CASTEP软件包基于第一性原理计算，研究了GaN和AlGaN的能带结构以及电子态密度。分析了价电子处在的能级位置。利用DOML软件包基于第一性原理计算，研究了GaN/AlN超晶格中极化效应对电子态密度以及电荷分布的影响。在极化效应的作用下， Ga原子处于价带底的3d态电子跃迁到上价带顶和导带中。在异质结的结面处，出现了正电荷和负电荷堆积现象。
　　通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程，研究了极化效应对AlGaN/GaN异质结中二维电子气的作用。无需杂质掺杂，利用极化诱导掺杂获得了浓度为1019cm-3量级的二维电子气。总结了不同Al组分和不同AlGaN薄膜厚度，极化诱导二维电子气浓度和分布变化的规律。深入的研究了极化诱导掺杂提高宽禁带III族氮化物掺杂效率的问题。无需杂质掺杂，沿[0001]晶向方向，线性的增加AlGaN薄膜Al的组分，获得了电子浓度达到1019cm-3量级的n型AlGaN薄膜。无需杂质掺杂，在Si衬底上制备出具有二极管电学特性的极化诱导掺杂的高Al组分AlGaN基PN结。
　　最后运用 Silvaco软件中的ATLAS半导体器件仿真器，分析了极化效应对AlGaN基紫外LED发光效率的影响。由极化效应产生的极化电场，导致能带弯曲，电子空穴波函数空间分离，溢出电流增加。对N-face AlGaN基紫外LED的光学特性和辐射光谱进行了研究，并与Ga-face AlGaN基紫外LED对比。在N-face AlGaN紫外LED中引入了阶梯结构的电子注入层。通过分析光谱、电流-输出光功率特性曲线、能带结构图以及载流子辐射复合速率，结果表明相对于Ga-face的紫外LED， N-face的紫外LED具有更好的光学性能，阶梯结构的电子注入层可以有效的降低溢出电流，提高紫外LED的发光效率。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 III族氮化物在器件中的应用和发展

1.3 课题研究意义和内容

第二章 宽禁带III族氮化物第一性原理研究

2.1 引言

2.2 第一性原理计算理论基础

2.3 第一性原理研究宽禁带III族氮化物

2.4 AlN/GaN超晶格的第一性原理研究

2.5 本章小结

第三章 极化诱导掺杂的研究

3.1 引言

3.2 极化诱导掺杂形成二维电子气

3.3 极化效应提高宽禁带III族氮化物的掺杂效率

3.4 本章小结

第四章 极化效应对AlGaN基紫外LED的影响

4.1 引言

4.2 silvaco软件介绍以及理论模型

4.3 极化效应对AlGaN基紫外发光二极管的影响

4.4 N-face AlGaN基紫外LED的设计和研究

4.5 本章小结

第五章 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果