鄭同場(chǎng),林 偉,蔡端俊,李金釵,李書(shū)平,康俊勇(廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,福建省半導(dǎo)體材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,半導(dǎo)體光電材料及其高效轉(zhuǎn)換器件協(xié)同創(chuàng)新中心,福建廈門361005)

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Mg雜質(zhì)調(diào)控高Al組分AlGaN光學(xué)偏振特性

鄭同場(chǎng),林 偉*,蔡端俊,李金釵,李書(shū)平,康俊勇
(廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,福建省半導(dǎo)體材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,半導(dǎo)體光電材料及其高效轉(zhuǎn)換器件協(xié)同創(chuàng)新中心,福建廈門361005)

摘要:高Al組分(即原子分?jǐn)?shù))AlGaN帶邊發(fā)光以e光為主的發(fā)光特性,從根本上限制了沿c面生長(zhǎng)器件的正面出光,成為光電器件發(fā)光效率急劇下降的主要原因.第一性原理模擬計(jì)算表明,AlxGa(1-x)N混晶的晶格常數(shù)比c/a偏離理想值程度隨Al組分的增大而增大,導(dǎo)致晶體場(chǎng)分裂能Δ(cr)從Ga N的40 me V逐漸減小;當(dāng)組分達(dá)到0.5時(shí)呈現(xiàn)0值,Al組分繼續(xù)提升,Δ(cr)進(jìn)一步下降,價(jià)帶頂排列順序翻轉(zhuǎn),直至Al N達(dá)到最低值-197 me V.通過(guò)Mg摻雜應(yīng)變AlGaN量子結(jié)構(gòu)能帶工程調(diào)控高Al組分AlGa N的價(jià)帶結(jié)構(gòu),反轉(zhuǎn)價(jià)帶頂能帶排序,實(shí)現(xiàn)光發(fā)射o光占主導(dǎo),從根本上克服高Al組分AlGaN發(fā)光器件正面出光難的問(wèn)題.

關(guān)鍵詞:高Al組分AlGaN;發(fā)光偏振特性;Mg雜質(zhì);能帶工程

高Al組分(即原子分?jǐn)?shù))AlGaN基紫外發(fā)光器件在殺菌消毒、環(huán)境凈化、防偽識(shí)別以及生化檢測(cè)等諸多領(lǐng)域有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和市場(chǎng)需要,引起人們強(qiáng)烈的關(guān)注[1].1998年,美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Han等利用Al0.2Ga0.8N/GaN多量子阱結(jié)構(gòu),研制出第一只波長(zhǎng)短于GaN帶隙(365 nm)的353.6 nm的紫外發(fā)光二極管[2].此后,波長(zhǎng)更短的LED和激光二極管(LD)相繼問(wèn)世,AlGaN紫外發(fā)光器件研制取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[3].然而,相比于傳統(tǒng)InGaN基藍(lán)、綠光發(fā)光器件,AlGaN基紫外光電器件的發(fā)光效率始終有限,且隨著Al組分的增加而急劇下降[4].起初,人們普遍將效率下降歸因于AlGaN晶體質(zhì)量不高,內(nèi)量子效率低下[5];p型AlGaN摻雜困難[6-7],載流子注入效率低;襯底等材料具有強(qiáng)烈的紫外吸收等.近年來(lái)隨著AlGaN紫外光電器件研究的深入,人們逐漸認(rèn)識(shí)到效率下降的背后AlGaN材料本身的能帶結(jié)構(gòu)在其中扮演了重要角色[8-9].隨著Al組分的增大,價(jià)帶頂按能量從高到低的能帶排序由GaN 的Γ9、Γ7、Γ7,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)锳l N的Γ7、Γ9、Γ7.價(jià)帶頂能帶的差異使得在材料發(fā)光中占主導(dǎo)地位的導(dǎo)帶和價(jià)帶第一子帶間的帶邊發(fā)光以電場(chǎng)與c軸垂直的o光(ordianry light,E⊥c)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐噪妶?chǎng)與光軸平行的e光(extraordianry light,E∥c)為主,表現(xiàn)為正面光發(fā)射逐漸被側(cè)面光發(fā)射所取代.相較于外延層正面,狹小的側(cè)壁面積極大地限制了光抽取的效率,且側(cè)向光難以有效利用.更為不利的是,由于AlGaN材料相對(duì)于空氣為光密介質(zhì),輻射光由材料內(nèi)部出射時(shí)易在界面上發(fā)生全反射.根據(jù)Al N和GaN折射率可知AlGaN的全射角介于24.6°～28.4°之間,這意味著在高Al組分AlGaN中少量偏離側(cè)向傳播的光投射至外延層正表面時(shí)會(huì)被全反射回器件內(nèi)部而逐漸遭到吸收損耗,難以從器件中有效抽取.傳統(tǒng)的提高光抽取效率方法主要采用對(duì)光電器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,如表面粗化[10]、圖形化藍(lán)寶石襯底[11]、布拉格反射鏡[12]、光子晶體[13]等技術(shù),雖然能夠從一定程度上減少因介質(zhì)折射率差異引起的全反射,但不能從根本上解決正面出光困難的局面.為了繞開(kāi)這一限制因素,人們?cè)噲D將AlGaN外延生長(zhǎng)轉(zhuǎn)移到非極性面上,使得e光傳播方向恰好轉(zhuǎn)向器件正面出光方向,輻射光易于從正面出射[14].然而相比于沿c軸擇優(yōu)生長(zhǎng)的AlGaN晶體,非極性面晶體生長(zhǎng)較為困難,內(nèi)量子效率難以超越.

采用能帶工程,對(duì)材料能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)丶舨?以調(diào)控材料光學(xué)性質(zhì)是一種有效可行的方法[15-17].前期的摻雜研究表明,在生長(zhǎng)過(guò)程中,Mg雜質(zhì)源以脈沖形式而非連續(xù)同時(shí)通入反應(yīng)腔,在有效地提高M(jìn)g的摻雜效率的同時(shí),雜質(zhì)原子由于其電負(fù)性和離子半徑大小與主晶格原子的差異,將影響AlGa N材料價(jià)帶結(jié)構(gòu),價(jià)帶軌道的空間分布發(fā)生變化[18],這不僅意味著載流子的傳輸行為受到影響,電子空穴復(fù)合發(fā)光的偏振狀態(tài)也將發(fā)生改變.然而以往的研究更多地關(guān)注受主Mg摻雜的電學(xué)特性[19-21],對(duì)于其影響發(fā)光偏振特性的認(rèn)識(shí)和利用還有待探索.本文采用第一性原理模擬計(jì)算Mg摻雜Al0.75Ga0.25N/Al N量子結(jié)構(gòu)價(jià)帶頂能帶結(jié)構(gòu),提出采用Mg雜質(zhì)能帶工程調(diào)控高Al組分Al Ga N的發(fā)光偏振特性,提高o光比例,進(jìn)而提高發(fā)光器件的正面出光.

1 模型構(gòu)建及方法

采用基于密度泛函理論的第一性原理方法模擬計(jì)算AlxGa1-xN混晶的能帶結(jié)構(gòu).構(gòu)建2a×2a×2c GaN纖鋅礦超原胞結(jié)構(gòu)模型,所構(gòu)建AlxGa1-xN混晶模型Al組分x分別為0,0.25,0.50,0.75,1.00.Al原子以替位的方式均勻地占據(jù)部分Ga原子位置,以體現(xiàn)更高的代表性.圖1(a)展示了典型的混晶模型Al0.75Ga0.25N.非摻量子結(jié)構(gòu)所構(gòu)建的結(jié)構(gòu)模型基于2a×2a×8c纖鋅礦超原胞,如圖1(b)所示.Mg摻雜應(yīng)變Al0.75Ga0.25N/Al N量子結(jié)構(gòu)通過(guò)Mg原子替代阱中單個(gè)Ga原子構(gòu)建,如圖1(c)所示.第一性原理計(jì)算采用VASP程序包[22];計(jì)算過(guò)程中,Ga的3d電子當(dāng)作價(jià)電子處理,電子與離子間相互作用采用投影綴加波贗勢(shì)法(PAW)[23-24]描述;交換關(guān)聯(lián)能采用廣義梯度近似(GGA)[25]的PW91交換關(guān)聯(lián)函數(shù);電子波函數(shù)采用平面波展開(kāi),平面波基組的截?cái)嗄茉O(shè)為520 e V;布里淵區(qū)積分采用5×5×3的Monkhorst-Pack點(diǎn)陣[26].結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中,允許總能計(jì)算的誤差為10-4e V,離子弛豫運(yùn)動(dòng)的收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-3e V,以保證各原子充分弛豫,使體系能量達(dá)到最低.

圖1　Al0.75Ga0.25N/Al N量子結(jié)構(gòu)Fig.1 Quantum structure of Al0.75Ga0.25N/Al N

2 結(jié)果與討論

2.1AlxGa1-xN混晶光學(xué)偏振特性

眾所周知,材料發(fā)光主要源于帶邊電子躍遷,價(jià)帶頂附近的能帶對(duì)光發(fā)射貢獻(xiàn)較大,特別是導(dǎo)帶與價(jià)帶第一子帶之間的電子躍遷在材料發(fā)光中占主導(dǎo)地位.為此我們重點(diǎn)分析價(jià)帶頂?shù)哪軒㈥P(guān)系隨Al組分的變化.在不考慮自旋軌道耦合作用的情況下,原本立方對(duì)稱性閃鋅礦布里淵區(qū)中心處(k=0)三重態(tài)Γ15在纖鋅礦AlGa N六角對(duì)稱結(jié)構(gòu)下分裂為Γ6雙重態(tài)和Γ1單態(tài),分別對(duì)應(yīng)重空穴帶(H H)、輕空穴帶(LH)和晶體場(chǎng)分裂空穴帶(CH).通常定義HH/LH與CH的能量差為晶體場(chǎng)分裂能Δcr.在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下,GaN 中CH帶為第三子帶,位于HH和LH帶之下;隨著Al組分的增大,CH帶上移與HH和LH帶間的Δcr逐漸減少;當(dāng)Al組分提升至0.5時(shí),Δcr減少至0,三子帶呈現(xiàn)簡(jiǎn)并;隨著Al組分進(jìn)一步增大,CH成為第一子帶,Δcr轉(zhuǎn)而為負(fù).價(jià)帶頂能帶的排列順序隨著Al組分的變化而改變,如圖2(a)所示.通過(guò)對(duì)晶格常數(shù)比c/a的計(jì)算,可以發(fā)現(xiàn)各模型AlGaN晶格常數(shù)比c/a偏離理想纖鋅礦結(jié)構(gòu)值1.63,c/a偏離程度隨Al組分的增大而增大,如圖2(b)所示,導(dǎo)致Δcr由GaN的40 me V逐漸減小,當(dāng)組分達(dá)到0.5時(shí)呈現(xiàn)0值.而當(dāng)Al組分繼續(xù)偏向Al N,Δcr呈現(xiàn)負(fù)值并逐漸減小,最終達(dá)到最小-197 me V.高Al組分與低Al組分AlxGa1-xN的價(jià)帶結(jié)構(gòu)的差異,對(duì)材料發(fā)光性質(zhì)有著決定性作用.

材料發(fā)光主要來(lái)源于帶邊電子躍遷,特別是導(dǎo)帶與價(jià)帶第一子帶之間的電子躍遷在材料發(fā)光中占主導(dǎo),第一子帶與其他子帶間的能量間距越大,其發(fā)光所占比例也越大.結(jié)合AlxGa1-xN混晶能帶結(jié)構(gòu)分析可知,低Al組分Al Ga N的帶邊發(fā)光以o光為主;隨著Al組分的增加,o光急劇減弱而e光迅速增強(qiáng);高Al組分Al Ga N的帶邊發(fā)光則變?yōu)閑光為主,如圖3(a)所示.光子的傳播方向與其偏振方向垂直,o光主要沿平行于c軸的方向傳播,大部分的光位于全反射角之內(nèi),容易從外延層中逃逸,因此正面光抽取效率高.而 e光主要沿垂直于c軸方向即側(cè)向傳播,正面的全反射和側(cè)面的狹小面積極大地限制了光抽取效率,如圖3(b)所示.全反射過(guò)程中大多數(shù)輻射光被材料吸收損耗,由于器件側(cè)向長(zhǎng)度尺寸遠(yuǎn)大于縱向厚度,e光在材料內(nèi)部的傳播距離比o光更為深遠(yuǎn),增大了傳播過(guò)程中再被材料吸收的可能.由此可見(jiàn),價(jià)帶頂能帶結(jié)構(gòu)對(duì)AlGaN紫外發(fā)光器件的發(fā)光效率起著關(guān)鍵作用,高Al組分AlGa N價(jià)帶頂能帶帶序的反轉(zhuǎn)引起的光學(xué)偏振特性的變化,從根本上限制了器件的正面出光,導(dǎo)致器件的發(fā)光效率急劇下降.從能帶工程方面考慮,調(diào)制高Al組分的AlGaN價(jià)帶結(jié)構(gòu),反轉(zhuǎn)輕重空穴帶至價(jià)帶頂,則導(dǎo)帶和價(jià)帶第一子帶的躍遷復(fù)合輻射光易于從正面出射.

圖2　AlxGa1-xN價(jià)帶頂能帶結(jié)構(gòu)(a)和晶格常數(shù)c/a比與晶體場(chǎng)分裂能Δcr隨Al組分變化關(guān)系(b)Fig.2 The band structure of AlxGa1-xN at valence band maximum(a)and the c/a ratio and crystal field splittingΔcras a function of Al composition(b)

圖3　高Al組分AlGaN材料發(fā)光特性示意圖(a) 及AlGaN LED與空氣間光的折射示意圖(b)Fig.3 The schematic diagram of the emitting light characteristics of high Al content AlGa N material(a) and the refraction between AlGa N LED and air(b)

2.2應(yīng)變調(diào)控Al0.75Ga0.25N/AlN量子結(jié)構(gòu)發(fā)光偏振特性

AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(x < y)量子結(jié)構(gòu)作為深紫外發(fā)光器件的有源層,量子阱組分往往大于0.5,不可避免地呈現(xiàn)側(cè)向發(fā)光的偏振特性.以往研究表明雙軸壓應(yīng)變能夠改變材料的價(jià)帶結(jié)構(gòu),利用AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(x

圖4　Al0.75Ga0.25N/Al N量子結(jié)構(gòu)平衡晶格能帶結(jié)構(gòu)(a)、雙軸應(yīng)變下體系總能量與體積關(guān)系圖(b)及雙軸應(yīng)變Al0.75Ga0.25N/Al N量子結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)(c)Fig.4 The band structure of Al0.75Ga0.25N/Al N quantum structure under equilibrium condition(a),relation between system total energy and volume under biaxial strain(b)and band structure of Al0.75Ga0.25N/Al N quantum structure with biaxial strain(c)

纖鋅礦結(jié)構(gòu)的Al Ga N的晶格常數(shù)a和c之間的應(yīng)變關(guān)系可以通過(guò)泊松比表述[28]

式中,ξa和ξc分別為沿a、c軸的應(yīng)變,ν為泊松比.對(duì)于在c面藍(lán)寶石上沿c軸外延生長(zhǎng)的薄膜,面內(nèi)受到雙軸應(yīng)變.由彈性應(yīng)變理論(胡克定律)結(jié)合纖鋅礦AlGaN的對(duì)稱性可推導(dǎo)得出

其中,c13和c33為彈性常數(shù),a和c為受應(yīng)力的晶格常數(shù),a0和c0為不受應(yīng)力的晶格常數(shù).將計(jì)算優(yōu)化后阱Al0.75Ga0.25N的晶格常數(shù)a、c、a0和c0值代入公式(1)和(2)得到ν為0.256,與文獻(xiàn)報(bào)道的Al N數(shù)值0.237相近[29],表明優(yōu)化后的理論晶格常數(shù)有著合理的數(shù)值.基于優(yōu)化的平衡晶格參數(shù),模擬計(jì)算體系能帶結(jié)構(gòu),如圖4(c)所示,H H/LH和CH子帶能量有所偏移,對(duì)應(yīng)Δcr由-58 me V進(jìn)一步增大至-25 me V.量子結(jié)構(gòu)阱壘間的失配應(yīng)變能夠調(diào)制AlGaN的價(jià)帶結(jié)構(gòu),減小了CH子帶和HH/LH子帶間的能量差距.

2.3Mg雜質(zhì)能帶工程調(diào)控Al0.75Ga0.25N/AlN量子結(jié)構(gòu)的發(fā)光偏振特性

一般而言,Mg摻雜往往會(huì)對(duì)價(jià)帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,價(jià)帶頂能帶順序也有可能受到牽連,成為實(shí)現(xiàn)調(diào)控發(fā)光偏振特性的可能方案.為此,本文采用第一性原理研究了Mg摻雜應(yīng)變Al0.75Ga0.25N/Al N量子結(jié)構(gòu)的價(jià)帶頂電子態(tài)密度(DOS)分布,以深入了解Mg摻雜與光學(xué)偏振特性的直接關(guān)聯(lián).理論上,介質(zhì)內(nèi)光子的吸收和發(fā)射過(guò)程通常包含電子從某一能態(tài)躍遷至另一能態(tài)的過(guò)程,對(duì)于從滿態(tài)的單電子布洛赫態(tài)到空態(tài)的單電子布洛赫態(tài)的躍遷,根據(jù)費(fèi)米黃金定律[30],在一階微擾論下躍遷幾率具體形式可表述為

式中,下標(biāo)i和j分別表示導(dǎo)帶和價(jià)帶態(tài),e為光偏振方向的單位矢量,?為約化普朗克常數(shù).帶間躍遷矩陣元|e·Mij(k)|=<ψi(r)|e·p|ψj(r)>,包含導(dǎo)帶和價(jià)帶波函數(shù)的布洛赫因子和被作為微擾的入射波的偶極算符,p為光子動(dòng)量.由于電偶極子算符為奇宇稱算符,若ψi(r)與ψj(r)具有相反宇稱性,滿足能級(jí)躍遷條件

則給定導(dǎo)帶和價(jià)帶間的躍遷是允許的,否則躍遷禁戒.

介質(zhì)的光學(xué)特性可用介電函數(shù)ε來(lái)描述,對(duì)于六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的AlGaN,介電函數(shù)含有兩個(gè)獨(dú)立參量ε∥和ε⊥,分別表征了介質(zhì)內(nèi)光波電矢量平行和垂直于c軸的傳播行為,常與光輻射、吸收及色散關(guān)系相關(guān)聯(lián).通過(guò)對(duì)電子軌道的深入研究表明,AlGaN價(jià)帶中的HH 與LH帶的電子態(tài)主要源自px與py雜化軌道的貢獻(xiàn), CH帶則由pz態(tài)單獨(dú)構(gòu)成;而導(dǎo)帶底的則為球形對(duì)稱的s電子態(tài).由于導(dǎo)帶底的s電子態(tài)ψc(r)為球型對(duì)稱性,相對(duì)于任一坐標(biāo)軸而言均為偶宇稱,因此電子躍遷與否依賴于躍遷末態(tài)ψv(r)的對(duì)稱性是否為奇宇稱.

圖5　Mg摻雜(a)與非摻雜(b)Al0.75Ga0.25N/Al N量子結(jié)構(gòu)價(jià)帶頂分波DOS px+py和pz分布情況Fig.5 The decomposed densities of states px+pyand pzat valence band maximum for Mg doped and undopedAl0.75Ga0.25N/Al N quantumn structure

通過(guò)對(duì)比分波DOS圖5(a),可發(fā)現(xiàn)Mg摻雜體系中px+py雜化電子態(tài)占據(jù)價(jià)帶頂且DOS值遠(yuǎn)大于pz.而非摻Al0.75Ga0.25N/Al N應(yīng)變和非應(yīng)變量子結(jié)構(gòu)價(jià)帶頂則均由pz電子態(tài)占據(jù),如圖5(b)所示.根據(jù)宇稱選擇定則,pz電子態(tài)沿c軸分布相對(duì)于同向的z軸為奇宇稱,而對(duì)于面內(nèi)x軸和y軸而言則均為偶宇稱,因此電子從導(dǎo)帶底躍遷至價(jià)帶頂?shù)膒z態(tài),僅滿足<ψc(r)|z|ψv(r)>≠0,從而ε∥≠0,即躍遷輻射光偏振態(tài)E∥c,具有e光的偏振特性.相反地,Mg摻雜體系中價(jià)帶頂px與py雜化電子態(tài)相對(duì)于z軸為偶宇稱,從導(dǎo)帶底至px與py態(tài)的電子躍遷,ε⊥≠0,即躍遷輻射光E⊥c,具有o光的偏振特性.能帶計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6所示,也表明了Mg摻雜改變了價(jià)帶頂?shù)哪軒判?HH子帶成為第一子帶,Δcr為83 me V,表明o光成為主要發(fā)光.由此可見(jiàn),Al0.75Ga0.25N/Al N受到Mg摻雜調(diào)控帶邊輻射由e光輻射為主轉(zhuǎn)變成o光輻射為主.本文雖以Al0.75Ga0.25N/Al N量子結(jié)構(gòu)作為典型予以討論,但使用同樣的原理設(shè)計(jì)摻入Mg雜質(zhì)能夠調(diào)控給定高Al組分AlGaN量子結(jié)構(gòu)光學(xué)偏振特性,有望提高深紫外光電器件正面出光.

圖6　Mg摻雜應(yīng)變Al0.75Ga0.25N/Al N能帶結(jié)構(gòu)Fig.6 The band structure of Mg-doped stained Al0.75Ga0.25N/AlN quantumn structure

3 結(jié) 論

本文采用第一性原理對(duì)AlxGa1-xN混晶的發(fā)光偏振特性隨Al組分的變化關(guān)系進(jìn)行了研究.研究結(jié)果表明AlxGa1-xN混晶的晶格常數(shù)比c/a偏離理想值程度隨Al組分的增大而增大,導(dǎo)致Δcr從GaN的40 meV逐漸減小;當(dāng)組分達(dá)到0.5時(shí)呈現(xiàn)0值,Al組分繼續(xù)提升,Δcr進(jìn)一步下降,直至Al N達(dá)到最低值-197 meV.由此得到材料的光學(xué)偏振特性表現(xiàn)為,低Al組分AlGaN的帶邊發(fā)光以o光為主;隨著Al組分的增加,o光強(qiáng)度急劇減弱而e光迅速增強(qiáng);高Al組分下則呈現(xiàn)e光為主的帶邊發(fā)光.高Al組分AlGaN側(cè)向發(fā)光從根本上限制了器件的正面光取出效率,極大限制了器件的光抽取效率.本文通過(guò)Mg摻雜應(yīng)變Al-Ga N量子結(jié)構(gòu)調(diào)控Al Ga N的價(jià)帶結(jié)構(gòu),在引入雙軸壓應(yīng)變?cè)龃缶wΔcr的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步引入Mg摻雜原子,反轉(zhuǎn)價(jià)帶頂能帶排序,呈現(xiàn)o光主導(dǎo)帶邊光偏振特性,從根本上突破高Al組分AlGaN發(fā)光器件正面出光難的局面.

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Modulating Optical Polarization of Al-rich AlGaN via Mg Dopant

ZHENG Tongchang,LIN Wei*,CAI Duanjun,LI Jinchai,LI Shuping,KANG Junyong
(Fujian Provincial Key Laboratory of Semiconductors and Applications,Collaborative Innovation Center for Optoelectronic Semiconductors and Efficient Devices,College of Physical Science and Technology,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract:The development of Al-rich AlGaN suffers from the optical polarization E∥c which is unfavorable for light extraction efficiency for optoelectronic devices grown on the c-plane,especially for Al-rich AlGaN.Based on first-principle simulations,the complex physics behind the optical polarization probably stems from the fact that the lattice parameter c/a ratio deviates from the ideal value for a hexagonal close-packed crystal structure.It is found that c/a ratio increases as Al content increases.The resulting crystalfield splitting energyΔ(cr)varies from 40 me V to 0 me V as Al content increases from 0 to 0.5,and finally drops down to-197 me V in AlN.The band engineering via Mg-doping strained AlGaN quantum structure allows modulation of the band structure especially at valence band maximum to change the valence band order so as to switch the emitted light polarization to ordinary light polarization, motivating further experimental work on improving light extraction efficiency in Al-rich AlGaN.

Key words:Al-rich AlGa N;optical polarization;Mg dopant;band engineering

*通信作者:linwei@xmu.edu.cn

基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2012CBR19300);國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2014AA032608);國(guó)家自然科學(xué)基金(11404271,11204254,61227009);促進(jìn)海峽兩岸科技合作聯(lián)合基金(U1405253);NSFC-廣東聯(lián)合基金(第二期)超級(jí)計(jì)算科學(xué)應(yīng)用研究專項(xiàng);國(guó)家超級(jí)計(jì)算廣州中心支持項(xiàng)目

收稿日期:2015-06-30 錄用日期:2015-10-25

doi:10.6043/j.issn.0438-0479.2016.02.016 10.6043/j.issn.0438-0479.2016.02.017

中圖分類號(hào):O 781;O 469

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0438-0479(2016)02-0237-07

引文格式:鄭同場(chǎng),林偉,蔡端俊,等.Mg雜質(zhì)調(diào)控高Al組分AlGaN光學(xué)偏振特性[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,55 (2):237-243.

Citation:ZHENG T C,LIN W,CAI D J,et al.Modulating optical polarization of Al-rich AlGa N via Mg dopant[J].Journal of Xiamen University(Natural Science),2016,55(2):237-243.(in Chinese)