AlGaN量子结构及其紫外光源应用

AlGaN量子结构是实现高光效、高稳定紫外固态光源的核心.近年来,AlGaN半导体材料及其紫外光源应用研究取得了较大的进展.然而,AlGaN材料的生长制备只能在非平衡条件下完成,涉及的生长动力学问题十分复杂,制约了量子阱等结构品质的提高;材料带隙宽,p型掺杂难度大,激活效率低,限制了载流子注入;光学各向异性显著,不利于光从器件正面出射.因此,AlGaN基紫外、特别是深紫外波段器件性能还有待提高.本文梳理了AlGaN量子结构与紫外光源效率之间的关系,详细阐述和总结了有源区量子结构、p型掺杂量子结构以及光学各向异性调控等方面所面临的挑战及近年来的重要研究进展.     

AlGaN基深紫外LED的外延生长及光电性能研究

AlGaN基材料作为带隙可调的直接带隙宽禁带半导体材料,是制备紫外光电子器件的理想材料。在无法获得大尺寸、低成本的同质衬底的情况下,高质量AlN薄膜的异质外延是促进紫外光电子器件发展的关键。本文中,通过调节蓝宝石衬底上AlN的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长模式产生高密度纳米级孔洞,利用纳米级孔洞降低AlN的位错,并在此基础上外延了AlGaN量子阱结构,得到了275 nm波段的深紫外LED薄膜,并制备了开启电压约为4.8 V,反向漏电电流仅为2.23 μA(-3.0 V电压时)的深紫外LED器件。     

AlGaN基深紫外发光二极管研究进展

深紫外光源在杀菌消毒、生化检测、紫外固化、紫外通信等方面具有巨大的应用前景,基于AlGaN半导体的深紫外发光二极管(LED)因具有无毒、体积小、能耗低、寿命长、波长可调等优势,得到了广泛的关注和研究.经过近二十年的研究开发,AlGaN基深紫外LED无论是发光效率和器件寿命都得到了巨大的提升,已逐步开始商业化.然而,相对于GaN基蓝光LED,目前AlGaN基深紫外LED的效率仍旧非常低,还有很大的提升空间.本文首先介绍了深紫外LED的发展现状,并分析了导致器件效率低的原因.然后,分别从内量子效率、光提取效率以及电光转换效率三个方面对目前AlGaN基深紫外LED的研究状况进行了系统的回顾,总结了目前提高发光效率的各种手段和方法.最后对AlGaN基深紫外LED的未来发展进行了展望.     

氮化物宽禁带半导体的MOCVD大失配异质外延

以氮化镓(GaN)、AlN(氮化铝)为代表的Ⅲ族氮化物宽禁带半导体是研制短波长光电子器件和高频、高功率电子器件的核心材料体系.由于缺少高质量、低成本的同质GaN和AlN衬底,氮化物半导体主要通过异质外延,特别是大失配异质外延来制备.由此导致的高缺陷密度、残余应力成为当前深紫外发光器件、功率电子器件等氮化物半导体器件发展的主要瓶颈,严重影响了材料和器件性能的提升.本文简要介绍了氮化物半导体金属有机化学气相沉积(MOCVD)大失配异质外延的发展历史,重点介绍了北京大学在蓝宝石衬底上AlN、高Al组分AlGaN的MOCVD外延生长和p型掺杂、Si衬底上GaN薄膜及其异质结构的外延生长和缺陷控制等方面的主要研究进展.最后对Ⅲ族氮化物宽禁带半导体MOCVD大失配异质外延的未来发展做了简要展望.     

Na掺杂对TiO2基材料电子结构、电子迁移特性及光吸收性质的影响

在赝势法密度泛函理论的基础上,系统研究了Na掺杂对TiO2基材料电子结构、载流子迁移和光吸收性质的影响.纯的TiO2基晶态材料呈现宽的直接带隙,其带隙宽度达2.438 eV,Na掺杂降低了TiO2基晶态材料的带隙至1.976 eV.纯的TiO2电子主要形成五个能带,而Na掺杂TiO2主要形成七个能带.TiO2材料的载流子迁移率较Na掺杂TiO2材料高,而Na掺杂TiO2材料载流子有效质量较TiO2的高.Na掺杂在TiO2材料价带中引入空穴和新的能级.Na掺杂大大提高了TiO2材料的载流子浓度,Ti中的p态电子,Na中的p态电子和O中的p态电子在导电过程中起着关键作用.Na掺杂TiO2材料的低能量光吸收限降低.     

P型微晶硅氧薄膜光电性能研究

本工作采用甚高频等离子体化学气相沉积(VHF-PECVD)技术制备了P型微晶硅氧窗口层薄膜,讨论了P型微晶硅氧的光电特性随硼烷掺杂率的变化.采用紫外-可见透射光谱,拉曼光谱,傅立叶变换红外吸收光谱(FTIR),暗电导测量对薄膜的光电特性进行了表征.结果表明,P型微晶硅氧材料均表现为微晶态,随着硼烷掺杂率增加,晶化程度逐步降低,暗电导率快速减小,光学带隙持续降低.该结果可归因于硼烷掺杂的增加抑制晶化使得非晶成分增多,有效掺杂率降低导致薄膜电导率下降,另一方面,对硅氧物相分离的阻碍作用导致薄膜带隙下降.硼烷掺杂率为0.4;样品的电导率高达0.158 S/cm且光学带隙为2.2 eV,兼具高透射性和良好电导率,可作为高效硅基太阳电池的窗口层.     

过渡层结构和生长工艺条件对Si基GaN的影响

为了提高MOCVD外延硅基GaN材料的质量，在硅（111）衬底上以HT-AlN为缓冲层，在缓冲层上再生长变组份过渡层后外延生长GaN。过渡层为多层复合结构，分为高温变组分AlGaN、GaN、低温AlN、高温变组分AlGaN。在高温生长AlGaN和GaN层中插入一层低温生长AlN以缓解降温过程中应力对厚GaN层的影响，为了缓慢释放热应力、采用合适的慢降温工艺。当外延层的厚度小于1．7微米时GaN外延层无龟裂，而厚度不断增加时，GaN外延层产生龟裂。本文研究了AlN缓冲层生长温度、高温变组分AlGaN生长过程中生长时间的变化对所生长GaN材料的影响。采用三维视频显微镜、高分辨率双晶X射线衍射（DCXRD）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和室温光致荧光光谱（RT-PL）对样品进行了测试分析。测试结果表明所研制的硅基GaN表面光亮、平整，过渡层的引入有利于降低外延层中应力，提高GaN结晶质量。     

4H-SiC半导体同质外延生长技术进展

4H-SiC(碳化硅)半导体是制作高温、高频、大功率电力电子器件的理想电子材料,近20年来材料生长技术水平不断提升,材料品质逐步提高.本文首先介绍了4H-SiC半导体同质外延生长的必要性,结合SiC多晶型的结构特点,介绍了4H-SiC外延生长过程中的原位掺杂浓度控制、扩展缺陷控制、点缺陷控制及高速生长控制方面的技术进展.同时,介绍了国产4H-SiC外延产业化的现状.     

Ag掺杂ZnO薄膜结构和光学特性研究

采用脉冲激光沉积技术制备出了Ag掺杂的ZnO薄膜.研究了Ag含量、衬底温度及氧压对ZnO结构和光学性能的影响.结果表明:Ag以替位形式存在于ZnO晶格中,Ag掺杂浓度较低时,样品具有高度c轴择优取向.衬底温度越高,薄膜的结晶质量越好,光学带隙越接近纯ZnO的带隙,而其紫外荧光峰在衬底温度为300 ℃时最强.氧压为10 Pa时,薄膜的结晶质量最好,紫外峰最强,其带隙则随氧压的增大呈先变窄后加宽的趋势.     

BN坩埚中的AIN单晶生长

AIN是第三代直接宽带隙半导体材料的代表，具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在制作大功率微电子器件和紫外探测器等方面，具有广泛的应用前景。AIN在光电子领域的应用潜力也不容忽视。AIN作为GaN材料的衬底，与目前广泛使用的SiC和宝石衬底相比，具有晶格失配位错密度低、热导率高、热膨胀系数差别小等优点，因而能大大提高GaN器件的性能和使用寿命。目前，各国竞相投入大量的人力、物力进行AIN单晶的研究工作。我国在这方面还鲜有报道。本文报道了山东大学在AIN单晶生长探索方面取得的一些进展。