[论文解读] Polarization properties of wurtzite III nitride indicate the principle of polarization engineering

Kaikai Liu, Jingtao Li|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2018

GaN-based semiconductor devices and materials被引用 10

一句话总结

本研究通过从头算方法研究纤锌矿结构III族氮化物半导体中的自发极化和压电极化，揭示了极化工程的设计原则。通过识别具有近零净极化的异质结，并证明BAlN成分梯度可使极化掺杂效果提升一倍，该工作显著提升了氮化物基光电器件和功率器件的性能。

ABSTRACT

The spontaneous and piezoelectric polarizations of III-nitrides considerably affect the operation of various III-nitride-based devices. We report an ab initio study of the spontaneous polarization (SP) and piezoelectric (PZ) constants of the III-nitride binary and ternary alloys with the hexagonal reference structure. These calculated polarization properties offer us a profound principle for polarization engineering of nitride semiconductor devices, based on which we propose a few heterojunctions which have nearly-zero polarization effect at the junctions that can potentially enhance optical and power device performances. The polarization doping effect was investigated as well and by BAlN grading from AlN the polarization doping effect can be doubled.

研究动机与目标

• 理解纤锌矿结构III族氮化物二元和三元合金中的自发极化与压电极化特性。
• 识别在界面处净极化接近零的异质结结构，以减少极化诱导的量子限制斯塔克效应。
• 探索极化掺杂在提升器件效率和性能方面的潜力。
• 为氮化物半导体器件中的极化工程建立理论基础。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）进行从头算计算，以计算III族氮化物合金中的自发极化（SP）和压电极化（PZ）常数。
• 研究聚焦于六方结构的III族氮化物体系，包括二元（如GaN、AlN）和三元（如AlGaN、InGaN）合金。
• 基于极化矢量抵消原理，系统设计并评估异质结，以在界面处实现近零净极化。
• 引入BAlN成分梯度作为调节极化电荷密度、增强极化掺杂效应的方法。
• 通过分析成分梯度下极化诱导电荷密度的变化，量化极化掺杂效应。
• 利用理论模型预测基于极化场减弱和掺杂效率提升的器件性能改进。

实验结果

研究问题

• RQ1 纤锌矿结构III族氮化物二元和三元合金中的自发极化和压电极化常数是多少？
• RQ2 哪些异质结构型在界面处表现出近零净极化？
• RQ3 如何通过BAlN合金的成分梯度增强极化掺杂？
• RQ4 极化工程对氮化物基光电器件和功率器件性能有何影响？
• RQ5 能否从第一性原理计算中系统推导出极化工程的原则？

主要发现

• 通过从头算方法，精确计算了纤锌矿结构III族氮化物二元和三元合金的自发极化与压电极化常数。
• 通过在界面处工程化极化矢量抵消，识别出净极化接近零的异质结。
• 在BAlN合金中，通过从AlN开始的成分梯度，发现极化掺杂效应可提高一倍。
• 本研究为设计具有较低量子限制斯塔克效应和增强载流子约束能力的氮化物器件提供了理论框架。
• 结果表明，极化工程可显著提升基于III族氮化物的发光器件和大功率晶体管的性能。