高Al組分AlGaN材料中的光學偏振特性及其調控.pdf

1、相比于傳統(tǒng)紫外光源（如汞燈和氙燈），AlGaN半導體紫外光電子器件具有無汞污染、波長可調、體積小、集成性好、耐高溫、抗輻射以及能耗低、壽命長等優(yōu)點，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和醫(yī)療衛(wèi)生等領域都有著廣闊的應用前景和巨大的市場需求。然而，由于高Al組分AlGaN材料中存在諸多問題，例如外延生長困難、p型摻雜率低、發(fā)光偏振特性獨特等等，導致深紫外波段器件的發(fā)光效率普遍較低，制約了深紫外發(fā)光器件的發(fā)展與應用。本論文采用第一性原理的計算模擬方法，圍繞Al

2、GaN材料中的光學偏振特性及其調控開展了系統(tǒng)的研究工作，以探索提高高Al組分AlGaN材料帶邊躍遷光發(fā)射沿c軸方向傳播比率的新途徑。具體的研究工作如下:
　　首先，模擬分析了不同Al組分混晶材料的能帶結構以及光學響應函數(shù)，結果顯示，隨Al組分增加，晶體場分裂帶逐漸往高能方向移動并最終取代重/輕空穴帶成為價帶頂，晶體場分裂能逐漸減小且正值轉變?yōu)樨撝?。從而導致E⊥c的帶邊輻射復合躍遷幾率降低，而E//c的迅速增加，最終使得高Al組分A

3、lGaN材料中帶邊輻射復合發(fā)光偏振態(tài)為側向傳播的TM(Transverse magnetic)模。這從根本上限制了光沿著c軸方向抽取的深紫外發(fā)光器件的出光效率，導致器件性能急劇下降。
　　其次，詳細研究了雙軸應變作用下AlGaN材料的能帶結構和光學偏振特性。結果表明，在AlGaN材料上施加張應力時，其晶體場分裂帶依舊占據(jù)著價帶頂，晶體場分裂能絕對值增大，導致其光學各向異性愈加顯著;而當施加的應力轉變?yōu)閴簯r，其晶體場分裂帶逐漸往

4、低能方向移動，而重/輕空穴帶則往高能方向移動，使得二者能量差距減小甚至由負值轉變?yōu)檎?，進而導致其帶邊躍遷光偏振特性由側向傳播的TM模轉變?yōu)檎騻鞑サ腡E(Transverse electric)模占主導。由此說明，通過控制AlGaN材料中的應變，即可調控其帶邊發(fā)光偏振態(tài)。
　　再次，探討了組分均勻性對AlGaN混晶材料的能帶結構和光學偏振特性的調控作用。結果表明，當Ga原子由分散逐漸趨于集中分布，即組分均勻性變差時，晶體場分裂帶

5、逐漸下移，而重/輕空穴帶逐漸上移，使得晶體場分裂能增大且由負值轉向正值，進而導致其帶邊躍遷光偏振特性由側向傳播的TM模轉變?yōu)檎騻鞑サ腡E模占主導。通過考察比較不同原子位置的鍵長變化發(fā)現(xiàn)，能帶結構發(fā)生的變化主要歸因于Ga原子摻入引起晶格發(fā)生畸變，形成局域壓應變場，且當Ga原子越集中，所形成的壓應變場越大。由此說明，我們可通過人工手段控制混晶材料中的均勻性實現(xiàn)局域應變場的調控，進而調整AlGaN材料的能帶和光學偏振特性，提高其正向傳播的T

6、E偏振光比例，為解決深紫外發(fā)光器件光抽取效率低的問題提供一個有效途徑。
　　最后，探討了Mg原子的摻雜模式和摻雜濃度對AlN能帶結構和光學偏振特性的調控作用。結果表明，在相同摻雜濃度情況下，均勻摻雜將在AlN材料中沿[0001]方向交替形成局域的張應變和壓應變場，導致張/壓應變所帶來的能帶調制效果相互抵消，使得晶體場分裂能僅為9.5 meV，此時，帶邊躍遷基本呈現(xiàn)光學各向同性;而在δ摻雜結構中，AlN晶格基本處于壓應變狀態(tài)，且靠近

7、Mg原子層附近，其壓應變量約為-1％，使得重輕空穴帶取代了晶體場分裂帶成為價帶頂，且晶體場分裂能高達523 meV，進而將使AlN材料帶邊發(fā)光的偏振態(tài)轉變?yōu)?00％的TE模。在相同摻雜模式情況下，δ摻雜結構中晶體場分裂能隨摻雜濃度的增加而增大，而均勻摻雜結構中晶體場分裂能則隨摻雜濃度的增加而減小。由此表明，在AlN材料中，以δ摻雜模式引入Mg雜質更有利于形成局域壓應變場，從而有效調控AlN能帶結構，使其發(fā)生能帶反轉，帶邊發(fā)光的偏振態(tài)轉變