GaN和ScVO4中点缺陷发光机制的研究

论文摘要

从第一个晶体管的发明、到大规模集成电路以及各种电子器件的广泛应用,半导体在日常生产、生活中发挥着越来越重要的作用。在半导体的制备过程中,半导体本身或者引入某些种类的杂质元素会形成点缺陷。不同类型的点缺陷对基质材料的光、电学性质有着各种不同的影响,并成为可能的发光中心。随着计算方法的发展,第一性原理计算对半导体中点缺陷电子结构的描述越来越准确。半导体中深杂质能级有关的辐射、非辐射复合计算方法也日趋成熟。但是,实验观测到的点缺陷相关发光的波长、强度等物理量和复杂的载流子动力学过程相关,仅对点缺陷单一性质的计算无法揭示实验现象背后的微观物理机制。鉴于此,我们基于第一性原理计算发展了相关计算方法,通过考虑半导体中各辐射、非辐射复合通道之间的相互竞争,实现在不采用参数拟合的情况下,对点缺陷相关发光的量子效率以及发光的完整时间分辨光致发光光谱（TRPL）进行模拟。红色荧光粉ScVO4:Bi在白光照明中有着潜在应用;氮化镓（GaN）是制备蓝色发光二极管（light-emitting diode）的核心材料,在发光领域起着至关重要的作用。针对这两种材料中的点缺陷发光现象,本课题具体开展了以下研究工作:1.通过第一性原理计算研究了Bi掺杂ScVO4基质的可调谐发光机理。研究发现,由于较低的缺陷形成能,在ScVO4基质中容易存在一些本征缺陷,而这些本征缺陷对于Bi掺ScVO4的发光没有明显的影响。在本文中考虑的化学势环境下,Bi原子掺入后都倾向于替换同价态的Sc原子,而不是+5价的V原子。在Bi原子周围出现氧空位（VacO）时,缺陷形成能的计算结果表明,BiSc和VacO缺陷很容易结合而形成BiSc+VacO复合缺陷。根据计算所得的缺陷转换能级和介电函数虚部,可以推断复合缺陷BiSc+VacO在“0”和“+1”价之间的转换是实验中观测到的Bi掺杂ScVO4发红光的原因。在实验中通入H2并控制H2的含量,可以实现可调谐发光。计算结果表明,发光性质的变化是来源于H原子对VacO的钝化效应。2.结合第一性原理计算与拉曼、傅里叶变换红外光谱测试,确认了在碳原子（C）掺杂的半绝缘GaN样品中,C将占据N原子位,形成“-1”价的CN缺陷。杂质C原子的振动将在声子谱的高频部分产生新的局域声子模式,包括水平方向振动的774 cm-1模式以及垂直方向振动的766 cm-1模式。3.针对GaN中普遍存在的黄光带,我们模拟了其随温度变化的量子效率,并详细描述了其中涉及深杂质能级的电子和空穴的复合过程。研究表明,在n型的GaN中,点缺陷CN的“-1”价和“0”价之间的转换以及复合缺陷CN+ON的“0”价和“+1”价之间的转换都有可能是实验上观测到的黄光带的来源。计算结果表明,黄光在温度高于480 K时开始淬灭,这源于杂质能级从价带俘获的空穴会通过热激发迅速再回到价带,这与实验观测结果相符合。4.我们模拟GaN中黄光带的TRPL过程,考虑了从皮秒到毫秒时间范围内多种复合通道之间的复杂竞争。研究表明,在高功率注入情况下,GaN中CN缺陷引起的黄光呈现双指数式衰减。其中,几百皮秒的短寿命来源于黄光和带边复合通道之间的相互竞争,几个微秒的长寿命来源于黄光带自身的衰减,并且这两个衰减过程都在我们设计的TRPL实验中得到证实。我们的研究可以很好的解释宽禁带半导体中点缺陷引起发光的复杂光物理过程,为今后实验上点缺陷的指认与设计提供重要的理论指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 半导体材料简介
•     1.1.1 半导体中的点缺陷能级
•     1.1.2 半导体中非平衡载流子的复合
•   1.2 钒酸盐中的点缺陷
•     1.2.1 钒酸盐晶体的结构及性质
•     1.2.2 钒酸盐晶体的制备
•     1.2.3 钒酸盐中的点缺陷发光
•     1.2.4 Bi离子发光介绍
•   1.3 GaN中的点缺陷
•     1.3.1 GaN的晶体结构及制备
•     1.3.2 GaN晶体的光、电学特性
•     1.3.3 GaN中黄光带的介绍及其点缺陷来源
•     1.3.4 GaN中黄光带受温度的影响
•     1.3.5 GaN中黄光带的时间分辨光致发光谱
•     1.3.6 GaN中点缺陷发光的载流子动力学模型
•   1.4 本文的研究意义、目的和内容
• 第二章 研究方法介绍
•   2.1 密度泛函理论简介
•   2.2 缺陷形成能计算方法介绍
•   2.3 辐射复合计算方法介绍
•   2.4 非辐射复合计算方法介绍
•   2.5 局域声子计算方法介绍
•   2.6 光致荧光光谱实验方法介绍
• 4中的发光及带隙调控'>第三章 点缺陷在ScVO₄中的发光及带隙调控
•   3.1 研究背景介绍
•   3.2 计算方法
•   3.3 实验设计和表征
•   3.4 结果与讨论
• 2（ω）分析'>    3.4.1 介电函数ε₂（ω）分析
•     3.4.2 实验验证
•     3.4.3 键长和电子结构分析
• 2分子解离的反应途径'>    3.4.4 氧空位中H₂分子解离的反应途径
•   3.5 本章小结
• 第四章 GaN中点缺陷引起的黄光带的量子效率
•   4.1 研究背景简介
•   4.2 计算细节及模型
•     4.2.1 含C、O缺陷的能级计算
•     4.2.2 点缺陷发光量子效率的公式推导
•     4.2.3 辐射复合计算结果分析
•     4.2.4 非辐射复合计算结果分析
•   4.3 结果与讨论
•   4.4 本章小结
• 第五章 GaN中 C原子的占位以及黄光带的荧光寿命
•   5.1 研究背景简介
•   5.2 TRPL理论模型推导
•   5.3 GaN中杂质C原子的占位分析
•   5.4 GaN中的带边发光和黄光带的双指数式衰减
•   5.5 点缺陷浓度对荧光寿命的影响
•   5.6 实验验证
•   5.7 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张海山

导师: 杨小宝

关键词: 半导体中的点缺陷,缺陷能级,发光量子效率,荧光寿命,第一性原理

来源: 华南理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 华南理工大学

分类号: O482.31;TN304.05

DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.000254

总页数: 105

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