硅衬底GaN基LED欧姆接触的优化设计和机理研究

The design and fabrication of ohmic contact electrode is the key to GaN-based LED chip. The interface microstructure, physical properties and preparation technology of electrode of GaN-based vertical structure LED on silicon substrate is completely different from the traditional lateral structure LED. The study on the interface behavior and ohmic contact formation mechanism of metal/GaN-based semiconductor has profound theoretical significance and broad application value..Therefore, based on the previous study of GaN-based materials, this project choses the metal/GaN based-semiconductor interface of GaN-based vertical structure LED on silicon substrate as the research object. Using first-principles method based on the basic principle of quantum mechanics, the influence of the stability, Schottky barrier height, charge distribution, concentration effect, doping effect and environmental conditions for metal/GaN system are studied in detail. Furthermore, the influence mechanism of the surface state, the interface states induced by metal induced gap states, the interfacial reactions between semiconductors and metal atoms on the interfacial electrical properties are studied. The work is expected to explain the novel experimental phenomenon, design ohmic contact with high stability and low contact resistance, and make some new progress and breakthroughs in working mechanism and construction theory for electrode of GaN-based LED on silicon substrate.

欧姆接触电极的制备是GaN基LED芯片制造的关键，硅衬底GaN基垂直结构LED电极的微观界面结构、物性及其制备技术完全不同于传统水平结构LED。研究垂直结构LED中金属/GaN基半导体接触的界面行为和欧姆接触形成机制具有深远的基础理论意义和广阔的应用价值。本项目拟在前期GaN基材料研究基础上，以硅衬底LED的金属/GaN基半导体界面为研究对象，利用从量子力学基本原理出发的第一原理方法，结合半导体物理模型和理论分析手段，探索金半界面微观结构的稳定性、肖特基势垒高度、电荷分布、浓度效应、掺杂效应以及外界条件的影响和效果。以电子态计算为基础，研究表面态、金属诱导间隙态引起的界面态、半导体和金属原子的界面反应等因素对界面接触电学性质的影响机理。本项目研究有望解释实验中的奇特现象，提出高稳定性低接触电阻欧姆接触的优化设计方案，以期在硅衬底GaN基LED电极的工作机理和构建理论等方面取得新进展和突破。

垂直结构LED芯片在电流扩展、热管理、光提取方面具有显著优势，高稳定性、高反射率和低接触电阻LED电极的设计和机理研究是实现器件优异性能的关键。.课题组选择垂直结构LED器件中的GaN基低维半导体、金属半导体界面、半半界面等复杂体系，系统研究并获得几何电子结构、载流子迁移率、极化电场、电导率、热导率和肖特基势垒等材料和器件物理信息，阐明了高稳定性低接触电阻LED电极机理、提出了设计方案并开展了相关实验,取得了一些进展和创新成果，主要包括：（1）研究了Ag基p型GaN欧姆接触界面的几何电子结构，揭示了界面结构对p型GaN基LED欧姆接触性能影响的机理。筛选不同金属半导体界面体系并提出了牺牲Cu退火实验方案。（2）研究了n型N面GaN基欧姆接触界面的几何电子结构、肖特基势垒和载流子输运特性等，筛选不同界面体系并提出了施主缺陷引入获得高质量欧姆接触的实验方案。（3）研究了GaN基LED电子阻挡层的工作机理、解释了相关实验现象，提出了协同机制以提高LED发光效率。（4）研究了低维GaN基发光材料电子性质、光学性质和热输运性质，发现二维GaN材料氢化或氟化后除半氟化外均具备机械稳定和热力学稳定；且半氢化可增强可见光范围的吸收性能；Mg、Si、In和Al等典型掺杂和合金元素导致氮化镓的热导率降低并解释了机理。（5）GaN发光材料和LED器件的实验方面取得了新进展。采用Na助熔剂法制备了尺寸为10*10mm2、厚度约1mm均匀的GaN单晶。制备了性能优异的单芯功率型UV-LED器件、单芯高亮度大尺寸结构芯片白光LED器件和多芯集成功率型UV-LED器件。（6）开展了低维半导体发光材料方面的拓展研究。从空穴掺杂和应力、原子吸附等不同角度研究了低维ZnO稳定性、电子结构、光学性质和磁性等基本物性并提出了潜在应用。.发表SCI论文22篇，授权专利7件、申请专利4件，培养硕士研究生17名。研究成果丰富了GaN基LED材料和器件物理的认识并具有实际应用价值。