BN薄膜的可控外延生长及其p型掺杂研究

基本信息
批准号:61674010
项目类别:面上项目
资助金额:62.00
负责人:张朝晖
学科分类:
依托单位:北京大学
批准年份:2016
结题年份:2020
起止时间:2017-01-01 - 2020-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:荣新,王涛,陈兆营,王钇心,刘华鹏,刘双龙
关键词:
数字合金氮化硼分子束外延角分辨光电子能谱联合系统紫外光源p型掺杂
结项摘要

Deep ultraviolet (DUV) LED, as a kind of high-efficiency source, is promising for a wide variety of applications, such as sterilization, biochemical detection, non-line-of-sight communications and special luminesce, for the benefits of environmentally friendly, low-cost and long-lifetime features. At present, DUV LED is based on AlGaN and its quantum structure, however its output power is seriously limited by the difficulty in p-type doping for high-Al-content AlGaN. As a new member of conventional III-nitride, h-BN is intrinsic p-type semiconductor, showing an alternative approach to replace the p-type AlGaN injection layer and enhance the output power of DUV LED. This proposal will focus on the growth kinetics of BN under non-equilibrium condition, fabricate high quality h-BN thin films and BGaN alloys exploiting newly-built molecular beam epitaxy (MBE) system and explore a method to realize effective p-type doping for the films. The study of the active mechanism for Mg-doping is based on in situ analysis of ARPES, exploring the band structure or surface state in dependence of layer thickness and Mg-doping conditions. Subsequently, high quality BN/GaN digital alloys will be fabricated to improve the crystalline quality and efficiency of p-type doping for BGaN alloys. Finally, we will study the Ohmic contact and vertical transport of holes in p-type h-BN and BGaN, enabling the realization of high performance DUV LED.

深紫外LED是一种绿色环保、低成本、长寿命的高效光源,在杀菌消毒、生化探测、非视距通讯及特种照明等领域有重大应用价值。目前深紫外LED基于AlGaN材料及其量子结构,其输出功率主要受制于高Al组分AlGaN的p型掺杂这一难题。而与传统III族氮化物半导体同族的h-BN,本征即表现为p型,且有望通过掺杂实现高空穴浓度p型材料,是克服掺杂困难,实现高输出功率深紫外LED的有效途径。本项目拟研究非平衡条件下BN的外延生长动力学,利用新建的BN分子束外延(MBE)设备实现高质量BN薄膜和BGaN合金的可控生长,进而研究其p型掺杂及Mg原子的激活机制;结合原位角分辨光电子能谱(ARPES),研究其表面性质和能带结构,探索掺杂规律;研究利用BN/GaN数字合金提高BGaN合金的晶体质量和提升p型掺杂效率的方法;研究p型BN和BGaN材料空穴的纵向输运规律和欧姆接触,为实现高效深紫外LED器件奠定基础。

项目摘要

二维BN材料具有超宽带隙和层状结构等优异的物理性质。本项目通过MBE方法实现了h-BN的高质量外延薄膜,通过高温热退火处理驱动BN薄膜重结晶,研究证实该过程中存在从e-BN到sp2-BN的相变过程,进而显著提高了BN的晶体质量,最终获得2英寸高质量h-BN单晶薄膜。研究了h-BN异质外延中的悬挂键,通过第一性原理计算得出单个O原子化学吸附在单层h-BN表面时倾向于形成N-O键和B-O-N键的结论。通过在h-BN表面引入部分O缺陷,实现了h-BN/Al2O3(0001)上高质量金属极性原子级平整的GaN外延薄膜。研究了不同h-BN厚度对外延层的应力弛豫机制,通过拉曼光谱研究发现改变h-BN厚度显著弛豫外延结构中的失配应力。在高质量BN/GaN复合模板上制备了高质量LED原型器件。相关成果发表SCI论文7篇,授权中国发明专利2项。以上研究为高质量BN材料外延生长及高性能BN基光电器件的设计与制备提供了新思路。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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