AlGaN/GaN二维电子气圆偏振自旋光电流的压电调制研究

AlGaN/GaN异质结二维电子气（2DEG）中存在着Rashba与Dresselhaus两种自旋轨道相互作用（SOI）。但对于何种SOI是2DEG能带自旋分裂的决定性机理这一关键问题存在着广泛的争议。包括基于圆偏振光电效应（CPGE）的光电流技术在内的实验手段都难以对该问题进行直接验证。本项目拟采用压电调制技术（PzM）来发展此圆偏振光电流技术，利用PzM的微分特性来提高圆偏振自旋光电流（CPGE电流）的探测灵敏度；利用PzM的调制选择性，通过作用于两种SOI的高阶波矢差异项来改变CPGE电流在2DEG面内的各向取向属性及程度、达到区分两种SOI不同贡献的目的；并利用PzM可同时显著改变2DEG电学性能与Rashba SOI的特点，来建立二者间大范围内的可靠的物理关系，促进利用电学手段来操控电子自旋量子态的实验研究的发展。在阐明基本机理、澄清实验现象的同时也具有实际应用的意义。

本项目研究尝试澄清AlGaN/GaN异质结二维电子气自旋光电流物理起源相关的争议问题。首先成功搭建了高灵敏度圆偏振光电流的压电调制实验测试系统，显著提高半导体二维电子气光电流的探测灵敏度，能有效开展异质结构及器件光电流相关的实验测量。利用MOCVD技术成功制备了系列高质量GaN/AlGaN异质结外延材料及光电器件。通过预处理方法，有效控制了蓝宝石上AlN外延缓冲层杂向晶粒的生长。利用XRD及光谱手段，确定了硅掺杂AlGaN层中立方微晶粒出现的位置和原因。在数值模拟计算基础上，从实验上验证了量子结构中电子能级结构、子带间吸收系数与子带跃迁等随器件结构参数、组分及极化效应等变化的关系。通过采用优化后的背面掺杂技术，减小类施主表面陷阱对AlGaN/GaN异质结构中二维电子气浓度及输运的不利影响，显著增加二维电子气的浓度并明显消除漏电流坍塌效应的发生。发现具有高势垒双异质的沟道层能更好的将电子限制在AlGaN/GaN双异质结等高电子迁移率晶体管沟道中，显著减小高电场下热电子从沟道层向GaN缓冲层的穿透能力。提高GaN沟道层厚度可以有效抑制电流崩塌和和负微分输出电导，进而提高器件在高场作用下的性能。在对更小尺度异质结电子器件的研究中得到了短沟道效应与器件尺寸的关系曲线，确定了器件低维极限工作时对应的短沟道长度临界值。短沟道效应在沟道长度减小到0.9微米时开始显现，导致器件性能显著降低，在沟道长度进一步减小到0.5微米时，器件达到低维工作极限。对量子阱结构中二维电子气散射机制等更基本物理问题进行探索时，发现在硅点掺杂势垒量子阱中，二维电子气占据两个子带能级，离子散射是这两个子带能级上电子发生散射的主要机制，库仑散射也发挥了一定的作用。对于分布在第二子带上的电子而言，合金无序散射发挥的作用比第一子带上的电子更明显重要。此外，还对基于异质结构半导体发光二极管和太阳能电池等器件，也进行了有益的探索研究。本项目基本按照项目申请书研究方案执行，研究工作系统全面，为AlGaN/GaN二维电子气从电荷电子特性向自旋电子特性研究的转变，进行了有效的实验方法探索和经验积累，同时促进了新型自旋电子器件理论的发展。