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铝镓氮(AlGaN)是第三代新型宽禁带半导体材料的重要代表之一,其禁带宽度可以在3.4eV(GaN)到6.2eV(AlN)范围内连续可调,对应波长可覆盖200nm-365nm波段范围,是制作紫外发光二极管(LEDs)、激光二极管(LDs)等光电器件的理想材料。随着Al组分的增大,AlGaN材料被用于制备深紫外LEDs和LDs中,其有源区需要高Al组分的AlGaN层,因此,高Al组分AlGaN薄膜的生长和表征成为了近年来研究的热点之一。此外,相比于GaN薄膜中的p型掺杂水平,AlGaN的掺杂效率还比较低,其物理原因在于AlGaN的禁带宽度随着Al组分的增大而增大,受主位置不断加深,激活能增大,从而导致激活效率和空穴浓度降低,无法满足制备紫外LED器件的要求。因此,低阻、高激活效率p型AlGaN薄膜的研究迫在眉睫。本论文采用金属有机物化学气相外延(MOCVD)法,在GaN/蓝宝石衬底上,以高温氮化铝(HT-AlN)为插入层生长了一系列高Al组分AlGaN薄膜,并系统地研究薄膜的物性,进而生长并表征p型AlGaN薄膜的物性,最后对AlGaN:Mg薄膜中反向畴结构稳定性和电子性质进行了理论研究,以上为高质量AlGaN薄膜的生长提供了技术方案,对高性能UV-LED器件结构的制备和应用都具有重要意义。主要研究内容和取得成果包括:(一)高Al组分AIGaN薄膜的外延生长与物性研究1.采用金属有机物化学气相外延(MOCVD)法,在GaN/蓝宝石衬底上,以HT-AlN为插入层,通过降低TMGa/TMAl摩尔比提高了 Al的掺入效率,生长出高Al组分AlxGai-xN(0.33≤x≤0.79)薄膜。其中,Al0.55Ga0.45N薄膜的晶体质量最佳。高分辨X射线衍射(HRXRD)测试表明,该薄膜(0002)衍射峰半高宽为 259 arcsec。2.透射电子显微镜(TEM)测试表明,Al0.55Ga045N薄膜中的螺位错密度为2.0×108cm-2,与W-H拟合结果相一致。而且,HT-AlN插入层中形成的V型槽结构起到了亚微米的横向外延作用,有利于位错的弯曲、合并和湮灭,能够有效降低位错密度,较大幅度地提高AlGaN外延薄膜的晶体质量。3.Al0.55Ga0.45N薄膜的带边发光峰随温度呈现明显的“S”型变化,这归因于势场波动和带尾态导致激子定域化能量为14.95meV。低温下的时间分辨光致发光谱(TRPL)满足双指数衰减过程,其中快衰减时间代表定域态激子的有效复合;慢衰减时间被认为部分载流子在有效复合之前,经历了由阳离子空位络合物(如VⅢ-ON,VⅢ-SiN,VⅢ-Xi)引起的俘获和解俘获过程。(二)Mg掺杂AlGaN薄膜的外延生长与物性研究1.采用金属有机物化学气相外延(MOCVD)法,在非故意掺杂AlGaN薄膜生长的基础上,通过均匀Mg掺杂方法生长了 AlxGa1-xN:Mg(0.23≤x≤0.57)薄膜。结合二次离子质谱(SIMS)和透射电子显微镜(TEM)测试表明,H有利于提高Mg的掺入量;在Cp2Mg流量大时,由于Mg固溶度的限制,薄膜中形成Mg团簇,引起反向畴结构,继而转为N极性薄膜生长。一方面降低了后续Mg的掺入量,另一方面因未形成Mg-H络合物,使H浓度降低;并且,随着Cp2Mg流量的增大,反向畴形成的初始位置向着AlGaN/HT-AlN界面移动。2.霍尔(Hall)实验测量表明,Mg掺杂浓度为～1020cm-3的AlxGa11-xN(x=0.23,0.35和0.57)样品实现了霍尔激活导通;室温下,p型载流子浓度从1018cm-3(x=0.23)降至1016cm-3(x=0.57)。由空穴浓度随温度的依赖关系可知,Al0.23Ga0.77N:Mg和Al0.35Ga0.65N:Mg薄膜中的Mg受主激活能大小分别为172meV和242meV,这是由于受主库仑势交叠和高浓度自由载流子引起的库仑势屏蔽,导致受主激活能降低;当进一步提高Cp2Mg流量,AlGaN薄膜转为N极生长模式,由于薄膜质量差,反向畴和本征缺陷(VN3+)增多,使自补偿度增大,导致电阻率迅速增大。3.采用阴极荧光光谱(CL)研究发现,AlxGa1-xN:Mg(x=0.23,0.35和0.57)薄膜的带边发光淬灭,存在两种施主-受主对(DAP)的复合发光,分别是浅施主(O)与深受主(VⅢ complex)1-对,以及施主(VN3+)与中性Mg受主所束缚的电子与空穴的复合跃迁,从而导致自补偿度增大,这是造成空穴浓度和迁移率降低的主要原因。(三)反向畴的第一性原理研究1.采用第一性原理计算比较了GaN和AlN中反向畴结构及其对应的未反转结构的稳定性。结果表明,在GaN中,Mg团簇容易引起反转结构;在AlN中,锥体反向畴基底(0001)面的Mg原子层容易引起反转结构;在GaN和AlN中,都容易形成IDB*反向畴结构。在此基础上,讨论了 Al原子占位对反向畴稳定性的影响。2.采用第一性原理计算得到反向畴结构的能带结构,并通过计算导带底和价带顶能带所对应的电子波函数图像和电子轨道态密度,揭示导带底和价带顶能带电子态的根源。