III族氮化物中极化诱导掺杂效应的物性研究及其应用验证

III-nitride semiconductors show great polarization behaviors. Such polarization effect can seriously impact the characters of GaN-based materials and devices. So it is important to get an excellent understanding and effective handling of the polarization effect, which has become a new tool for adjusting the semiconductor devices performances. The polarization induced doping effect is a consequence of the interaction between strong polarization and high density defect states in nitride semiconductors. With this new effect, problems like p-AlGaN layers in UV lighting devices could be solved and new device designing ideas may be excited. But we are facing several key science issues, such as the interaction between polarization and defects, the band structure and carrier transport control, and the control of material growth kinetics. In this program, the following content will be studied. First, build up the physics model of the polarization induced doping effect, and find out the influence of structure parameters and crystal quality to the doping effect, and discover the electrical characters of polarization induced carriers. Second, study p-type AlGaN with a high Al composition under the influence of polarization induced doping, and apply such p-AlGaN layers to UV-LEDs. At last, study the dopant-free nitride semiconductors by polarization induced doping, and realize the dopant-free GaN-based LED prototype device.

III族氮化物半导体材料具有强烈的极化特性，可以对材料和器件的性能造成重要影响，因此深入理解并有效利用极化效应已成为半导体材料器件的一种新型调控手段。极化诱导掺杂效应是氮化物半导体中的强极化效应和高密度缺陷态相互作用而导致材料中形成高浓度载流子的现象，利用这种效应可以解决紫外发光器件中p-AlGaN层掺杂等问题，甚至可以获得全新的器件设计思路。但首先需要解决一系列关键科学问题，包括极化与缺陷态的相互作用、能带裁剪与载流子输运调控、外延生长动力学控制等等。为此本项目将围绕这一效应开展深入研究：首先建立极化诱导掺杂的物理模型，研究材料结构参数、晶体质量等因素的影响，并掌握诱导产生载流子的电学特性；其次研究p型高Al组分AlGaN中极化诱导掺杂的作用，并将其应用到紫外LED中进行器件验证；最后利用极化诱导掺杂研究无杂质源的氮化物载流子掺杂，并制作无杂质源氮化物LED原型器件。

GaN材料体系的晶格结构决定了其具有强极化的特点，而当这种强极化的材料出现了极化不连续时，如遇到表面和界面时，将产生净极化束缚电荷并形成极化电场，材料中的各种施主和受主态在这一强电场的作用下可以被诱导离化产生载流子，这一效应称为极化诱导掺杂。GaN材料中的极化效应已经被大量的研究，但是极化效应与材料中杂质掺杂、点缺陷、位错、表面与界面态之间相互影响的研究还不够深入，GaN材料的大失配和强极化特点和光电转换的复杂过程使这一效应具有十分丰富的科学内涵，为此特设立本课题开展研究。本课题实施以来，我们围绕着材料中应力、极化、缺陷这三个关键因素进行了深入研究，对极化诱导掺杂这一物理现象有了更深入的理解，并且将这一物理机制应用于发光二极管器件中，使得器件性能得到了提升。具体可总结为以下几点：1）强极化、强局域态InGaN/GaN多量子阱的变温光荧光谱表征手段研究，获得了不同激发模式的特性表征适用范围，非共振激发模式在研究量子阱区域的载流子输运行为与表征内量子效率具有优势，而共振激发能更准确地描述量子阱内局域态相关特性以及评价量子阱质量；2）研究了InGaN材料中In原子偏析现象，找到了克服In偏析所带来InGaN层中组分渐变效应的有效方法，并发现一种反常的波长与内量子效率关系，其原因在于In预沉积抑制了In原子的向上偏析或者扩散，使得非辐射复合中心密度降低，这对实现高亮度高效率的长波长LED具有很好的借鉴意义，此外通过In预沉积技术可以获得组分沿生长方向分布更为均匀的InGaN量子阱层，这对于我们精准地实现设计极化诱导掺杂结构具有十分重要的意义；3）将极化诱导掺杂应用于LED器件中，模拟研究了渐变AlGaN层对于电子阻挡层提升效果、渐变InGaN层对空穴注入的提升效果，并实现了波长位于”green gap”的GaN基高光效黄绿光发光二极管，在20mA下，主波长、光功率、流明效率、正向电压分别为560 nm, 2.14 mW, 19.58 lm/W, 3.39V，这一结果填补了发光二极管在黄绿光波段效率低下的这一空白，具有十分重要的应用价值。经过本课题的实施，我们共发表SCI期刊论文13篇，培养毕业博士生3名，毕业硕士生1名。