III-V族半导体中不同点缺陷构筑与相关复合机制的研究

In the material and device research of III-V semiconductor as represented by GaN, the control and application of defects are the important processes for semiconductor properties. Limited by the control and measurement capabilities, it is difficult to research into point defect. Recently, using stress control techniques in growth processes (epitaxial lateral overgrowth, for example), the density of dislocation which is another kind of defect owing to the lattice mismatch has been decreased. Based on this background, the point defect has attracted more interest. Especially in the research of carrier recombination mechanism, the point defect and related complex have gradually been considered as the main determinant in the nonradiative recombination. In this project, we will combine the electron-phonon coupling constants calculation, materials growth, and transient optic-electronic measurement, to break through the limit of control and measurement capabilities. The calculation is lasted developed by applicant based on the first-principle. The distinct point defect structures (such as native point defect, impurity-vacancy complex, and point defect pair by co-doping) will be constructed in the III-V semiconductor as represented by GaN. Further research for the recombination mechanism will base on the studying of the local phonon model, defect energy level and recombination rate of distinct point defect structures. This project will develop the fundamental understanding of defect engineering theory in semiconductor.

在以GaN为代表的III-V族半导体材料及相关器件研究过程中，如何控制和利用缺陷一直是决定其性能的关键。最近材料生长过程中各种应力控制技术的应用，使因失配应力引起的主要缺陷形式-位错的密度大幅降低。在此背景下，另一种因长期受限于操控和观测能力而未被深入研究的缺陷形式-点缺陷，开始受到普遍重视。特别在载流子复合机制的研究中，点缺陷及相关复合体等缺陷形式已逐渐被认为是在非辐射复合中起更加决定性作用的因素。本项目为解决现有点缺陷操控和观测能力不足的问题，将申请人最新开发基于第一性原理的电声耦合计算与材料生长、瞬态光电测试紧密结合，在以GaN为代表的III-V族半导体材料中构筑本征点缺陷、掺杂与空位形成的复合体、共掺形成的点缺陷对等，分析不同点缺陷结构对应的局域声子模式、缺陷能级和复合速率等性质，从而对不同点缺陷结构导致的复合机制进行深入研究，为半导体材料的缺陷工程理论奠定基础。

随着材料生长过程中各种控制技术的应用，使位错的密度大幅降低。在此背景下，另一种因长期受限于操控和观测能力而未被深入研究的缺陷形式-点缺陷，开始受到普遍重视。特别在载流子复合机制的研究中，点缺陷及相关复合体等缺陷形式已逐渐被认为是在载流子复合过程中起更加决定性作用的因素。本项目着眼于在以GaN为代表的III-V 族半导体材料，构筑GaN：Zn_Ga-V_N、GaN：C_N、GaN:C_N-O_N、GaP:Zn_Ga-O_P等点缺陷结构，基于最新第一性原理的电声耦合计算软件包，不断改进和完善计算方法，对于不同点缺陷结构进行计算，分析其导致的局域声子模式和在带隙中出现的缺陷能级，并计算其导致的电声耦合系数、俘获截面、非辐射复合速率等特征参数。将不同计算方法得到的非辐射复合速率与实验结果进行对比，确定静态耦合理论最适合半导体点缺陷的计算。针对具体应用，增加了辐射复合速率和发光量子效率的计算。对于GaN中C掺导致的黄光峰（YL），我们的计算显示YL会在480K时发生淬灭，这与实验结果一致。软件开发的同时进行相关GPU加速优化的工作，通过不同方面的优化将GPU加速比提升到25.7，同时将相关方法推广到其它材料计算方法上。与计算同步开展相关材料生长和测试工作。采取光电化学腐蚀方法制备无位错纳米线，另外通过提高生长厚度等方法来制备高质量GaN样品。通过变温PL和时间分辨PL等瞬态过程中光电测试手段针对含有点缺陷的GaN进行相关测试，分析不同温度下的点缺陷结构对于俘获截面、非辐射复合速率的影响。将不同点缺陷结构电声耦合计算的非辐射复合速率与变温PL和时间分辨PL等测试结果进行对比分析，确定点缺陷发光效率衰减的物理过程，从而将第一性原理计算与材料生长测试紧密结合后，分析不同点缺陷结构对于载流子复合机制的影响。利用我们发展的整体方法，对半导体中点缺陷进行的理论计算和测试分析，给出点缺陷及相关结构对于载流子复合机制的影响，从而为降低材料中非辐射复合几率，提高发光效率做相关机理研究和结构设计。