《氮化镓基材料与光电子器件的基础研究》

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氮化镓(GaN)基宽带隙半导体材料是重要的战略性先进电子材料。GaN基发光二极管(LED)是照明与显示的新型光源,已被广泛应用,正在取代传统光源;GaN基激光器是新一代激光显示技术的核心器件,同时在激光照明、海底通讯、生物医疗等领域有重要应用。对GaN基材料和器件物理原创性、引领性的研究是获得高性能器件的关键。在国家自然科学基金和科技部863计划等项目的支持下,该研究团队围绕GaN基光电子器件的材料基础,在GaN外延生长的表面行为与晶体缺陷控制、GaN外延材料与量子结构的电学与光学性质、GaN基光电子器件等方面,开展了持续而系统的研究,取得了如下主要成果:

1)揭示了大失配异质外延材料表面生长机理,掌握了缺陷抑制方法。针对大失配异质外延生长GaN材料世界难题,该发现点发现了低温缓冲层微观结构与GaN外延材料的晶体质量关系,提出了位错转向与湮灭的调控方法,通过对GaN生长表面过程的有效调控,实现了异质外延生长高质量的GaN薄膜的突破。研究了Al(Ga)N材料生长过程中的寄生反应及其抑制方法,为调控AlGaN中Al组分、提高材料质量提供了实验基础和理论依据。

2)阐明了GaN材料和量子结构的光学、电学、结构性质的内在关联机制,实现了载流子输运与复合过程调控。针对有效调控GaN材料和量子结构载流子的输运与复合的难题,提出刃位错是影响高纯GaN材料电子迁移率和黄光带深能级复合的决定因素,获得了低刃位错密度的GaN材料,实现了GaN材料的室温电子迁移率的突破;在该基础上,发现InGaN多量子阱内的载流子动态分布与势垒高度的关系,实现了多量子阱内的载流子均匀复合发光。针对低维量子结构中的微观缺陷表征难题,发展了InGaN量子结构中缺陷的表征方法,在该基础上阐明了刃位错、螺位错和量子阱界面粗糙度对InGaN量子阱发光性质的影响。

3)解决了光场限制和损耗难题,研制出国内第一支GaN基激光器等几种新型光电子器件。GaN激光器是GaN研究领域中难度最大、最具有挑战的课题。在获得低缺陷密度的GaN基材料,实现对其电学和光学性质的有效调控基础上,进一步解决了光场限制难题,抑制了吸收损耗,研制出国内第一支GaN激光器,同时还研制出国际上第一支GaAs衬底上GaN蓝光LED、国内第一支GaN紫外雪崩光电二极管。

该项目发表代表性论文8篇,包括Appl.Phys.Lett.6篇,J.Appl.Phys.1篇,J.Cryst.Growth 1篇,论文总他引380次,SCI他引318次。这些论文在Appl.Phys.Lett.、Laser Photonics Rev.、Phys. Review B、J.Cryst.Growth等刊物中有大量的正面评述。此外,相关成果也获得了Semiconductor Today等重要学术媒体的高度评价。

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