GaN基半导体异质结构中的应力相关效应

GaN基半导体作为光电子材料领域极为重要的材料,其异质结构在器件开发领域得到十分广泛的应用,目前,影响其未来发展的有几大关键性难题,本质上都与应力场有关,深受大家关注且亟待解决。本论文通过实验研究和计算模拟,全面深入地考察了GaN基半导体异质结构中应力场的相关效应,分析其复杂性质、阐明其物理机制,进而讨论这些效应对GaN基半导体电学和光学性质的作用。在基础研究手段上,我们利用金属有机物化学汽相外延技术制备GaN基异质结构,如侧向外延GaN和AlGaN/GaN系统的异质结构;采用包括电子显微镜、俄歇电子能谱、阴极荧光光谱等技术,表征异质结构的各项化学、物理性质。首先提出了电子信息的思想和“俄歇谱广义位移”概念,结合以密度泛函理论为基础的第一性原理计算方法,重点开发了微纳米区域的应力场、电学量测量技术,对微观表征技术的发展起重要的推动作用。基于上述手段,我们针对以下几方面关键物理问题进行研究并取得重要结果:在GaN中应力场和发光性质的研究方面,通过对侧向外延GaN的应力分布测量,发现双轴应力释放的关键机制和区域,通过对穿透位错的拐弯、攀移等行为的分析发现双轴应力场可转变为纵向应力场,并带来带边发光增强的效应,从而提高了紫外发光强度;同时,集体有序拐弯的位错线所形成的横向位错阵列,对极化场造成密集的碎断作用,减小电子空穴的离化,增加了发光复合几率,进一步促进GaN发光效率的提高。在GaN/AlGaN/GaN异质结构的压电极化效应的研究方面,通过测量界面层区的化学和电学性质,发现Al与Ga在界面互扩散形成了一定宽度的界面组分缓变层区,在此层区内,因极化效应作用形成了局域的二维电荷薄层。通过对局域电场的测量,重建了异质结能带结构,表明能带弯曲所形成的界面势谷对二维电荷薄层起到限制的作用。通过第一性原理计算AlGaN/GaN异质结构的几何和电子结构,得到极化场作用下的弯曲能带结构,与实验结果很好的吻合,并发现了价带、导带弯曲的不一致性,预测了AlGaN/GaN量子阱的短波发光器件开发的切实可行性。