【摘 要】
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镁（Mg）和硅（Si）作为p型和n型氮化镓（Gallium Nitride,GaN）的典型掺杂剂,被广泛用于GaN基光电器件中。在光电器件的实际应用中,器件的性能和寿命主要取决于有源区的散热效率。实验上发现,Mg和Si掺杂后,GaN热导率急剧下降,然而其中的物理机理并不清楚。深入探究Mg和Si掺杂GaN的热输运性质,理解GaN掺杂导致热导率下降的物理机制,对提高器件的性能,延长器件的寿命具有非常重
【基金项目】
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国家自然科学基金； 江西省自然科学基金；
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镁（Mg）和硅（Si）作为p型和n型氮化镓（Gallium Nitride,GaN）的典型掺杂剂,被广泛用于GaN基光电器件中。在光电器件的实际应用中,器件的性能和寿命主要取决于有源区的散热效率。实验上发现,Mg和Si掺杂后,GaN热导率急剧下降,然而其中的物理机理并不清楚。深入探究Mg和Si掺杂GaN的热输运性质,理解GaN掺杂导致热导率下降的物理机制,对提高器件的性能,延长器件的寿命具有非常重要的科学价值和实际意义。本文基于声子玻尔兹曼输运方程和密度泛函理论,采用第一性原理计算,开展了Mg和Si掺杂对GaN热输运性质影响的研究。取得的创新成果为:计算得到了Mg掺杂GaN面内和面外方向热导率分别为5.11和4.77 W/m K以及Si掺杂GaN面内和面外方向热导率分别为0.41和0.51 W/m K,相比于未掺杂GaN面内和面外方向热导率的275和303 W/m K,Mg和Si掺杂GaN的热导率分别显著地降低了2个和3个数量级。同时,在微纳尺度下探究了Mg和Si掺杂GaN导致热导率下降的物理本质,其可总结为三点:其一:Mg掺杂GaN面内和面外方向热导率的降低均归结于较低的光学声子分支群速度和高抑制的声子弛豫时间的共同作用;对于Si掺杂GaN,由于不同声子模式对面内和面外方向热导率的贡献不同,面内方向热导率的下降是主要是由于极低的声子弛豫时间导致,而面外方向热导率被强烈抑制则是因为光学声子群速度的降低和极低的声子弛豫时间共同作用。其二:进一步研究发现,Mg和Si掺杂GaN引起晶格的非简谐性增强,促进了声子-声子散射,从而极大地抑制了声子弛豫时间。其三:电子结构的分析表明,Mg-N键和Si-N键相比于Ga-N键的极性增强以及掺杂后局部结构的畸变共同增强了结构的非简谐性,间接说明了Mg和Si掺杂GaN热导率急剧降低的原因。本研究从原子与电子的尺度阐明了Mg和Si掺杂对GaN热输运性质的影响,揭示了热导率大幅度降低的物理机制,为GaN基光电器件的热管理提供指导。
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