不同掺杂元素对GaN基材料发光性能影响研究进展

由于GaN材料本身具有的极大优越性,如大禁带宽度、高临界场强、高热导率、高载流子饱和速率、高异质结界面二维电子气浓度等,决定了GaN基材料及其器件在发光半导体材料领域中的重要地位,而高质量GaN的掺杂制备一直是研究者关注的热点.本文根据近几年国内外对掺杂GaN基材料的研究成果,总结概括了IIA族、过渡族以及稀土族元素对GaN的掺杂,分析讨论了不同掺杂元素对GaN基材料发光性能的影响,并以Mg掺杂GaN为例,对比了各种掺杂技术的优缺点.     

MOCVD生长GaN的表面形貌及缺陷研究

采用自制MOCVD和ThomasSwanMOCVD以Al2O3为衬底对GaN生长进行了研究.利用光学显微镜获得了GaN外延膜表面形貌随Si、Mg掺杂量不同的变化规律以及表面缺陷等信息.研究表明,随掺Si量增大,GaN外延膜的表面变粗糙,结晶品质下降.在电子浓度达2×1019cm-3以上时,GaN外延膜表面出现龟裂.对GaN进行Mg掺杂,外延膜表面出现岛状突起,且随Mg掺杂量增大,岛状突起数目增多.观察到了MOCVD生长的GaN的六角状岛、龟裂、条状缺陷等典型缺陷.     

过量镁掺杂的p-GaN的变温霍尔效应研究

利用变温霍尔效应研究了过量镁掺杂p-GaN样品空穴浓度随温度变化以及迁移率与掺杂浓度的关系,指出了过量镁掺杂引起位错密度的增加是导致空穴载流子浓度随掺杂浓度增加而减少的主要原因.尽管适当增加镁的掺杂浓度可以提高样品中空穴的迁移率,但是超高的重掺杂将会导致样品中的空穴浓度和迁移率同时急剧下降.     

n型GaN薄膜输运性质与发光研究

系统研究了掺Si的n型GaN的表面形貌、电学性质和光学性质。GaN薄膜采用金属有机化学气相沉积系统（MOCVD）制备,通过选择不同掺杂流量的siH4,使n型载流子浓度变化范围为3×10^16-5．4×10^18cm^-3。原子力显微镜研究发现随掺杂浓度的增加样品表面形貌变粗糙,表面位错坑密度增加,表明了晶体质量下降。变温霍尔效应获得载流子浓度随温度的变化曲线（n-1/T）,拟合得到不同Si掺杂量下,Si杂质在GaN中的电离激活能在12～22meV之间变化,它是施主波函数的相互作用增强所造成。通过研究迁移率随温度（μ-T）的关系曲线,认为载流子输运过程受不同温度下的散射机制影响。光致发光谱研究了室温下GaN薄膜带边发光和黄带,发现带边发光峰的移动是伯斯坦-莫斯效应和能带重整化效应共同作用的结果,并拟合得到了能带收缩效应系数-1．07×10^-8eV／cm,指出黄带的产生和变化与不同Si掺杂浓度下Ga空位的浓度相关。     

InGaN/GaN耦合量子阱结构光电性质改善的物理机制

利用数值模拟方法,研究InGaN/GaN耦合量子阱结构光电性质相对传统量子阱结构光电性质改善的物理机制。模拟结果显示,与InGaN/GaN传统量子阱相比,耦合量子阱结构的电压 电流特性得到有效改善,获得较高发光强度和光输出功率。其光电性质改善的主要机制是:InGaN/GaN耦合量子阱结构能够减小电场强度、势垒高度和厚度,从而加强阱中载流子隧穿效应,改善有源区载流子分布均匀性,同时,阱层中电子 空穴波函数重叠率也得到提高。     

GaN掺杂Er~(3+)纳米颗粒的电子结构及光学性能分析

采用Material Studio软件模拟GaN掺杂稀土元素Er⁽³⁺⁾浓度在6.25%下的晶格结构,分析了掺杂GaN的光学特性,结论表明,掺杂后的GaN具有较好的发光性能.同时,实验上用氨还原法制备了3组掺杂GaN∶Er(3+)浓度在6.25%下的晶格结构,分析了掺杂GaN的光学特性,结论表明,掺杂后的GaN具有较好的发光性能.同时,实验上用氨还原法制备了3组掺杂GaN∶Er⁽³⁺⁾纳米颗粒.3组样品的X射线衍射结果均显示样品结构为六方纤锌矿结构,利用Scherrer公式,计算得到3组样品GaN∶Er(3+)纳米颗粒.3组样品的X射线衍射结果均显示样品结构为六方纤锌矿结构,利用Scherrer公式,计算得到3组样品GaN∶Er⁽³⁺⁾纳米颗粒的平均晶粒大小为25.9nm;测量了3组样品的GaN∶Er(3+)纳米颗粒的平均晶粒大小为25.9nm;测量了3组样品的GaN∶Er⁽³⁺⁾纳米颗粒的室温光致发光谱,获得了样品在可见光区(位于375(3+)纳米颗粒的室温光致发光谱,获得了样品在可见光区(位于375⁶50nm)的3个发光峰并对3组样品进行分析比较,分析了样品520nm的激发光谱.由光致发光谱得到的3条发光峰表明所制备的GaN∶Er650nm)的3个发光峰并对3组样品进行分析比较,分析了样品520nm的激发光谱.由光致发光谱得到的3条发光峰表明所制备的GaN∶Er⁽³⁺⁾具有较好的光学性能.理论和实验上确定了稀土E(3+)具有较好的光学性能.理论和实验上确定了稀土E⁽³⁺⁾离子掺杂GaN纳米颗粒的较合适的掺杂浓度为6.25%.     

As掺杂碲镉汞多载流子体系电学特性研究

用液相外延(LPE)方法在CdZnTe衬底上生长了厚度为14.19μm的Hg1-xCdxTe样品。在Hg1-xCdxTe中进行As掺杂,获得低温下的p型导电材料。对As掺杂Hg1-xCdxTe样品进行了磁输运测试,获得磁电阻和Hall电阻在不同温度下随磁场的变化曲线。用最大熵原理迁移率谱结合多载流子拟合(MEPMS+MCF)的分析方法,获得样品中参与导电的载流子种类,以及每种载流子浓度和迁移率随温度的变化。结果表明,在20~280 K的温度范围,空穴的浓度开始随温度的升高不断增加,到100 K后,空穴的浓度随温度的升高逐渐减小。其迁移率在低温区随温度的升高逐渐减小,到100 K后,迁移率随温度的升高逐渐增加。在100~280 K的温度范围,本征激发的电子开始参与导电,其浓度随温度的升高不断增加,迁移率随温度的升高不断减小。用MEPMS+MCF分析方法获得的零场电阻与实验结果很好符合。     

DCJTB掺杂浓度对有机电致白光器件性能的影响

通过改变红色荧光材料DCJTB的掺杂浓度设计了四个不同结构的器件,当DCJTB的掺杂浓度为0.8%时,平衡了器件中电子和空穴的传输能力,使载流子复合形成激子的几率增加,即使载流子的传输能力最优,又有效地抑制了器件的荧光淬灭效应,提高了器件的性能,器件的最大亮度为8 898 cd/cm2,最大效率为1.7 cd/A。     

Ⅲ—Ⅴ氮化物与蓝光LEDs(Ⅱ)

文中主要讨论GaN背景载流子浓度和掺杂问题,以及GaN-based异质结构与器件应用,在结论中给出了进一步深入研究的几个主要问题。     

Mg掺杂对GaN薄膜紫外光电导的影响

报道了用MOCVD方法制备的不同Mg掺杂浓度的GaN薄膜的紫外光电导特性.结果表明,没有进行Mg掺杂和弱掺杂的样品具有显著的光响应,而且光响应弛豫时间也较短,随着Mg掺杂浓度的增加,材料变成P型,光响应变小,且弛豫时间变长.     

镁掺杂钛酸锶铅钡薄膜的介电调谐性能研究

采用Sol-Gel法在Pt／Ti／SiO2／Si衬底上制备出未掺杂和掺杂Mg的（Ba0.5Sr0.5）0.85Pb0.15-TiO3薄膜．采用XRD、SEM和Agilent 4294A精密阻抗分析仪研究了Mg掺杂量对薄膜的结晶性,表面形貌和介电性能的影响．结果表明：随着Mg掺杂量的增加,PBST薄膜的介电常数减小,介电损耗降低,介电调谐量先减少后增加．当Mg掺杂量为0．8mol％时,PBST薄膜具有最大的优值因子．     

SO2-4对电沉积法制备氢氧化镁的影响

以海绵钛副产品氯化镁为原料,采用水溶液电沉积法制备氢氧化镁时,氢氧化镁团聚严重,且在极板上脱落困难.通过向电解液中加入适量SO^2-₄来优化氢氧化镁分散性,可有效解决氢氧化镁团聚严重的问题.探究了SO^2-₄对氢氧化镁脱落性能、产物形貌及生长方式的影响.结果表明:SO^2-₄的质量浓度对氢氧化镁初始脱落时间影响较大,SO^2-₄的质量浓度为0.45g/L时,氢氧化镁性能最佳,初始脱落时间最短约 10min;氢氧化镁在极板上结晶长大时,生长方式为层岛复合生长模式,同时发现添加SO^2-₄后,能够诱导氢氧化镁以阶梯状的方式生长.     

First-principles studies for magnetism in Cu-doped GaN

Hole carrier mediated magnetization in Cu-doped GaN is investigated by using the first-principles calculations.By studying the sp-d interaction and the direct exchange interaction among the dopants,we obtain an equation to determine the spontaneous magnetization as a function of the Cu dopant concentration and the hole carrier density.It is demonstrated that nonmagnetic Cu doped GaN can be of room-temperature ferromagnetism.The system’s Curie temperature Tc can reach about 345 K with Cu concentration of 1.0% and hole carrier density of 5.0×1019 cm-3.The results are in good agreement with experimental observations and indicate that ferromagnetism in this systems is tunable by controlling the Cu concentration and the hole carrier density.     

Photocatalytic enhancement of Mg-doped ZnO nanocrystals hybridized with reduced graphene oxide sheets

Hybridization of Mg-doped ZnO and reduced graphene oxide(MZO–RGO) were synthesized through one pot reaction process. Crystallization of MZO–RGO upon thermal decomposition of the stearate precursors was investigated by X-ray diffraction technique. XRD studies point toward the particles size with 10–15 nm,which was confirmed by transmittance electronic microscopy,and also indicates that graphene oxide has been directly reduced into its reduced state graphene during the synthesis. Graphene hybridized MZO photocatalyst showed enhanced catalytic activity for the degradation of methylene blue(MB). The degree of photocatalytic activity enhancement strongly depended both on the coverage of graphene on the surface of MZO nanoparticles and the Mg doping concentration. The sample of 2 wt% graphene hybridized 5 at% Mg-doped ZnO showed the highest photocatalytic activity,which remained good photocatalytic activity after nine cycling runs.     

TiO2-assisted GaN-nanowire-based stable ultraviolet photoelectrochemical detection

Ultraviolet photodetection plays an important role in optical communication and chemical- and bio- related sensing applications. Gallium nitride (GaN) nanowires-based photoelectrochemical-type photodetectors, which operate particularly in acqueous conditions, have been attracted extensive interest because of their low cost, fast photoresponse, and excellent responsivity. However, GaN nanowires, which have a large surface-to-volume ratio, suffer suffered from instability in photoelectrochemical environments because of photocorrosion. In this study, the structural and photoelectrochemical properties of GaN nanowires with improved photoresponse and chemical stability obtained by coating the nanowire surface with an ultrathin TiO₂ protective layer were investigated. The photocurrent density of TiO₂-coated GaN nanowires changed minimally over a relatively long operation time of 2000 s under 365-nm illumination. Meanwhile, the attenuation coefficient of the photocurrent density could be reduced to 49%, whereas it is as high as 85% in uncoated GaN nanowires. Furthermore, the photoelectrochemical behavior of the nanowires was investigated through electrochemical impedance spectroscopy measurements. The results shed light on the construction of long-term-stable GaN-nanowire-based photoelectrochemical-type photodetectors.     

氮化镓晶片的化学机械抛光工艺

研究了抛光工艺参数对氮化镓(GaN)化学机械抛光(CMP)表面形貌和材料去除率的影响。通过精密分析天平和原子力显微镜对其材料去除率和表面形貌进行分析,采用单因素及正交实验法探究压力、抛光盘转速和氧化剂浓度对GaN材料去除率和表面形貌的影响。结果表明:在下压力为14.1×10~4 Pa、抛光盘转速为75 r/min、H_2O_2浓度为0.8%、SiO_2磨粒为30%、抛光液流量为20 mL/min、抛光时间为15 min的条件下,GaN晶片表面材料去除率最大达到103.98 nm/h,表面粗糙度最低为0.334 nm。可见,在优化后的工艺参数下采用化学机械抛光,可同时获得较高的材料去除率和高质量的GaN表面。     

Mg掺杂GaN结构及电子结构的理论研究

采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法研究了金属元素Mg掺杂GaN的结构及电子结构性质.计算金属Mg分别替换Ga和N原子后体系的结合能,得到Mg原子更容易替换Ga原子,与他人的结果一致.掺杂后晶格常数a和c反而略有增大,并且高压下的情况是类似的.Mg掺杂后GaN电子结构显示掺杂使得GaN带隙略有增加,压强从0增加到20GPa,掺杂前后带隙值分别增大约39.1%和38.4%.     

Mg2 掺杂ZnO薄膜制备及性能研究

通过溶胶-凝胶法,运用提拉技术在普通玻璃衬底上镀制出掺Mg2+的ZnO薄膜。通过测前驱物的热重-差热(TG-DTA)分析了前驱物的失水和分解的温度分别为100℃和280℃。采用显微照片和粗糙度照片可以看到薄膜质地均匀、致密。通过紫外-可见透射光谱(UV-VIS)可以看出掺镁ZnO薄膜的透过率在80%左右,具有较高的透过率。