Mg杂质调控高Al组分AlGaN光学偏振特性郑同场，林伟*，蔡端俊，李金钗，李书平，康俊勇*（厦门大学物理与机电工程学院，福建省半导体材料及应用重点实验室，福建厦门361005）摘要：高Al组分AlGaN带边发光以e光为主的发光特性，从根本上限制了沿c面生长器件的正面出光，成为光电器件发光效率急剧下降的主要原因。第一性原理模拟计算表明AlxGa1-xN混晶的晶格常数比c/a偏离理想值程度随Al组分的增大而增大，导致晶体场分裂能cr从GaN的40meV逐渐减小;当组分达到0.5时呈现0值，Al组分继续提升，cr进一步下降，价带顶排列顺序翻转，直至AlN达到最低值-197meV。通过Mg掺杂应变AlGaN量子结构能带工程调控高Al组分AlGaN的价带结构，反转价带顶能带排序，实现光发射o光占主导，从根本上克服高Al组分AlGaN发光器件正面出光难的问题。关键词：高Al组分AlGaN；发光偏振特性；Mg杂质；能带工程中图分类号：O781；O469文献标识码：A高Al组分AlGaN基紫外发光器件在杀菌消毒、环境净化、防伪识别、以及生化检测等诸多领域有着越来越广泛的应用和市场需要，引起人们强烈的关注[1-3]。1998年，美国Sandia国家实验室J.Han等利用Al0.2Ga0.8N/GaN多量子阱结构，研制出第一只波长短于GaN带隙（365nm）的353.6nm的紫外发光二极管（Lightemittingdiode,LED）[4]。此后，波长更短的紫外发光二极管和激光二极管（Laserdiode,LD）相继问世，AlGaN紫外发光器件研制取得了长足的进步[,5-]。然而，相比于传统InGaN基蓝、绿光发光器件，AlGaN基紫外光电器件的发光效率始终有限，且随着Al组分的增加而急剧下降[]。起初，人们普遍将效率下降归因于AlGaN晶体质量不高，内量子效率低下[7]；p型AlGaN掺杂困难[8-11]，载流子注入效率低；衬底等材料具有强烈的紫外吸收等。近年来随着AlGaN紫外光电器件研究的深入，人们逐渐认识到效率下降的背后AlGaN材料本身的能带结构在其中扮演了重要角色[12-22]。随着Al组分的增大，价带顶按能量从高到低的能带排序由GaN的Γ9、Γ7和Γ7，逐渐转变为AlN的Γ7、Γ9、Γ7。价带顶能带的差异使得在材料发光中占主导地位的导带和价带第一子带间的带边发光以电场与c轴垂直的o光（OrdianryLight,E⊥c）为主转变为以电场与光轴平行的e光（ExtraordianryLight,E∥c）为主，表现为正面光发射逐渐被侧面光发射所取*收稿日期：2015-06-30录用日期：2015-10-25基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目（2012CBR19300），国家高技术研究发展计划（863）（2014AA032608），国家自然科学基金（11404271、11204254），海峡联合基金（U1405253）*通信作者：jykang@xmu.edu.cn;linwei@xmu.edu.cn---本文来源于网络，仅供参考，勿照抄，如有侵权请联系删除---代。相较于外延层正面，狭小的侧壁面积极大地限制了光抽取的效率，且侧向光难以有效利用。更为不利的是，由于AlGaN材料相对于空气为光密介质，辐射光由材料内部出射时易在界面上发生全反射。根据AlN和GaN折射率可推知AlGaN的全射角介于24.6~28.4°之间，这意味着在高Al组分AlGaN中少量偏离侧向传播的光投射至外延层正表面时会被全反射回器件内部而逐渐遭到吸收损耗，难以从器件中有效抽取。传统提高光抽取效率方法主要采用对光电器件进行结构优化，如表面粗化[23,24]、图形化蓝宝石衬底[25,26]、布拉格反射镜[27,28]、光子晶体[29,30]等技术，虽然能够从一定程度上减少因介质折射率差异引起的全反射，但不能从根本上解决正面出光困难的局面。为了绕开这一限制因素，人们试图将AlGaN外延生长转移到非极性面上，使得e光传播方向恰好转向器件正面出光方向，辐射光易于从正面出射[31]。然而相比于沿c轴择优生长的AlGaN晶体，非极性面晶体生长较为困难，内量子效率难以超越。采用能带工程，对材料能带结构进行适当的剪裁，以调控材料光学性质是一种有效可行的方法[32-34]。前期的掺杂研究表明，在生长过程中，Mg杂质源以脉冲形式而非连续同时通入反应腔，在有效地提高Mg的掺杂效率的同时，杂质原子由于其电负性和离子半径大小与主晶格原子的差异，将影响AlGaN材料价带结构，价带轨道的空间分布发生变化[35]，这不仅意...