应变无关AlxGa1-xN带隙的铝组分线性依赖性：光谱学与理论计算研究

本文通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）制备了Al组分（0 ≤ x < 0.2）的伪晶AlxGa1-xN薄膜，结合X射线衍射（XRD）晶格常数测量与温度依赖光致发光（TDPL）实验，首次揭示了应变无关带隙能量（Eg）随Al组分呈线性变化规律，修正了传统研究中的弯曲参数（bowing parameter）假设，为氮化物器件设计提供了精确的材料参数基础。

　　

Highlight

本研究通过理论计算与实验相结合，解析了伪晶Al_xGa_1-xN层的应变无关带隙能量。采用MOCVD技术在GaN/蓝宝石模板上外延生长不同Al组分（0 ≤ x < 0.2）的Al_xGa_1-xN薄膜，其厚度均小于临界厚度以保持完全应变状态。通过双衍射面（0002）和（0004）XRD绝对测量，验证了蓝宝石衬底与氮化物热膨胀系数差异导致的晶格应变效应。基于文献报道的能带参数，计算了双轴应变引起的带隙偏移，并通过变温PL和室温反射谱获得激子跃迁能量。最终推导出应变无关带隙的Al组分线性依赖关系，且无需引入弯曲参数。

Crystalline Quality of AlGaN

透射电镜（TEM）分析显示，AlGaN薄膜厚度为252.4纳米，与XRD结果一致。高分辨TEM图像揭示了AlGaN/GaN界面的原子级平整度，选区电子衍射（SAED）呈现单晶衍射斑点，证实材料具备优异的结晶质量。X射线光电子能谱（XPS）进一步显示Al-N键合状态无异常，排除氧污染对能带结构的干扰。

CONCLUSIONS

本研究系统解决了Al_xGa_1-xN带隙评估中的三大争议：采用亚临界厚度样品避免应变弛豫、修正AlN端点带隙值为6.01 eV（室温）、精确计入激子结合能（>k_BT）的影响。最终建立的线性关系模型为紫外LED、激光器和HEMT器件设计提供了可靠的材料基础。