铟铝氮三元合金单边垒电子阻挡层研究

Single-polar barrier for InGaN/GaN LED electron blocking layer is developed by the first-principle calculion in the view of band engineer.The band gap alignment of GaN/InxAl1-xN heterojunction change from type-I to type-II by optimization of growth parameter and specail structrue design.Therefore, the barrier for electrons increased.While the barrier for hole decreased.As a result, the asymmetric distribution of carriers in active region of InGaN/GaN LED. We argue that such kind of improvement will be benefical of eclectron-hole recombination, which can decreas the electron density in multiple quantum well.We believe that this novel single-polar barrier can be used to solove the problem of the carriers leakage in InGaN/GaN LED, especially at high injectioin density. The objective of this work is to gain a basic understanding of the behaviors of electrons and photons in low dimension GaN/InxAl1-xN systems. What's more, a potential solution will be brought out here to address the issues of efficicency droop at high current density, which is believed strongly related to electron leakage. This work will provide the scientific foundation for high efficiency InGaN/GaN LEDs.

采用第一性原理计算从能带工程的角度设计InGaN/GaN LED电子阻挡层结构，提出了InxAl1-xN单边垒电子阻挡层这一新的概念。以半导体能带工程和外延生长动力学为重点和切入点，从物理本质上优化材料设计与生长工艺，通过调整InxAl1-xN材料组分，实现InxAl1-xN/GaN从第一类异质结（Type-I band alignment ）向第二类异质结 (Type-II band alignment)的转变。增加电子势垒的同时，着重降低空穴势垒，力争通过提高空穴注入效率，提高有源区电子复合速率，从源头上解决电子泄露问题。本项目的成功实施，不仅可以通过第二类异质结改善InGaN/GaN LED电子空穴的不匹配注入，减少电子泄露，同时对掌握InxAl1-xN三元合金材料生长动力学，揭示大注入条件下InxAl1-xN/GaN低维量子结构中电子、光子行为规律并实现有效调控具有重要意义。

如何实现大电流、高效率是目前GaN基LED的研究重点，一系列与此相关的关键科学和技术问题有待研究解决。本课题围绕大注入电流条件下GaN LED量子效率（Droop）衰减中的基础科学问题，以半导体能带工程和外延生长动力学为重点和切入点，通过量子结构设计、新型电子阻挡层、高效p型掺杂等手段，研究了Droop效应的形成机制和解决方案。力求从物理本质上优化材料设计和生长工艺。本项目通过PL及时间分辨PL系统研究了InGaN/GaN多量子阱LED中载流子的局域化效应。证实了In组分分凝和量子阱界面波动引起的阱宽变化是载流子局域的两种重要机制。提出了InxAl1-xN单边量子垒这一概念，设计并制备完了多种新型了量子垒电子阻挡层结构。提出了一种新的氮化物高效p型掺杂方法，通过周期性结构中受主缺陷能级间的相互耦合，完成其从局域态（localized states）向共振态（resonate states）的转换，实现（准）零激活能）的高效p型掺杂，及存在异质结界面体系的修正Hall分析模型，测试结果表明体系总空穴浓度超过3×1018/cm2。在以上工作的基础上，我们尝试进一步采用低维结构等解决大注入电流条件下的Droop现象，并取得了初步的实验结果，为后续发展高效氮化物发光器件奠定了基础。.项目执行期发表发表13篇SCI论文，申请专利5项。相关研究成果得到的诺贝尔奖获得者Amamo教授等国内外知名学者的正面积极评价和引用。