高Al组分AlGaN中点缺陷的形成机理及调控研究

AlGaN with high Al composition is an ideal candidate for deep ultraviolet optoelectronic devices. However, the high density defects, including dislocation defects and point defects, affect the quality of the materials and the performance of devices seriously. In recent years, the development of AlGaN growth technology makes a significant reduction in dislocation defects, thus the point defect becoming a prominent problem. In this project, the formation mechanism and control method of point defects in AlGaN with high Al content will be studied using a method of combination the theory and experiment. Based on density functional theory, the dependence of the formation energy of point defects on the carrier concentration will be constructed and the charge state of point defects, the density distribution, formation energy and energy levels will be obtained. Besides, the non-destructive measurement will be used to obtain the optical and electrical properties of point defects in AlGaN real-time to study the evolution, status and other information of point defects, revealing the formation mechanism of all kinds of point defects in AlGaN with high Al content; On this basis, the points defects are controlled by carriers by changing the formation energy of points defects and thus solving the problem of doping in AlGaN with high Al content. Moreover, obtaining the association of point defects with the electrical and optical properties of AlGaN optoelectronic devices to accelerate the achievement of AlGaN deep ultraviolet devices with high-performance.

高Al组分AlGaN是制备深紫外光电子器件的理想材料，但高的缺陷密度（位错缺陷、点缺陷）严重影响了材料质量和器件性能。近年来，材料生长技术的发展使AlGaN中的位错缺陷显著降低，而点缺陷的影响日渐突出。本项目以高Al组分AlGaN中点缺陷形成机理及其调控为主要研究目标，采取理论与实验相结合，从点缺陷的形成能入手，基于密度泛函和半导体理论, 构建点缺陷形成能与载流子浓度的依存关系，获得点缺陷的电荷态、密度分布、形成能和能级位置；利用非破坏性的检测，实时表征点缺陷对AlGaN的光学和电学性能影响，获得点缺陷的存在方式、行为状态等信息，揭示高Al组分AlGaN中各类点缺陷的形成机理；在此基础上，通过载流子调控改变点缺陷的形成能从而实现对高Al组分AlGaN中点缺陷的调控，解决高Al组分AlGaN的掺杂问题，并建立点缺陷与器件光电性能的关联，为高性能AlGaN紫外光电子器件的研制奠定基础。

高Al组分AlGaN是制备深紫外光电子器件的理想材料。但是由于AlGaN材料中高的缺陷密度，主要是位错缺陷、点缺陷等，严重影响了材料质量和器件性能。近年来，材料生长技术的发展使AlGaN中的位错缺陷显著降低，但是AlGaN光电器件的性能依然存在效率低、寿命短等问题，点缺陷被视为是引起这些问题的重要原因。.本项目以高Al组分AlGaN中点缺陷形成机理及其调控为主要研究目标，采用理论与实验相结合的方法开展了研究。在项目实施过程中，利用理论与实验相结合的方法研究了点缺陷的形成机理与调控方法。根据半导体物理，建立了点缺陷形成能与载流子浓度的关系。根据密度泛函理论，利用第一性原理计算各种点缺陷形成能，获得了不同种类点缺陷的电荷态、形成能和能级位置。研究了利用MOCVD方法生长AlGaN过程中生长参数对缺陷的影响，提出 “金属预处理的方法”，有效抑制了AlGaN材料中的与金属阳离子空位相关的点缺陷。采用光致发光谱研究缺陷相关发射峰，发现AlGaN材料存在(Vcation-complex)2-缺陷相关的发射峰，而“混合金属有机源预处理衬底表面” 提供了富金属的生长条件，抑制了金属阳离子空位缺陷的产生，因此能有效抑制点缺陷相关的发射峰。并研究了利用高温热处理对[VAl-(ON)n]-3+n复合点缺陷的影响。利用光致发光谱、X射线光电子能谱、正电子湮灭等测试表征手段研究了点缺陷行为，并发展了一种利用紫外光辅助开尔文探针力显微镜非破坏性测评缺陷行为的方法。这些成果的取得将推动AlGaN光电器件的发展和应用。.在项目执行期间，发表SCI论文8篇，申请发明专利3项，参加国际及国内会议10次，并在会议中做邀请报告4次，培养研究生3人。项目负责人在项目执行期间，获批“国家自然科学基金优秀青年基金”资助、荣获“中国科学院青年创新促进会优秀会员”、“第四届CASA第三代半导体卓越创新青年”等人才奖项和荣誉。