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研究作者及机构
本研究由S. Schöche、P. Kühne、T. Hofmann、M. Schubert、D. Nilsson、A. Kakanakova-Georgieva、E. Janzén和V. Darakchieva共同完成。研究团队分别来自美国内布拉斯加大学林肯分校（University of Nebraska-Lincoln）的电气工程系和瑞典林雪平大学（Linköping University）的物理、化学与生物学系。研究论文发表于《Applied Physics Letters》期刊，发表日期为2013年11月21日。
学术背景
本研究属于半导体材料物理学领域，主要关注高铝含量AlGaN合金中的电子有效质量（electron effective mass）参数。高铝含量AlGaN合金在深紫外（deep ultraviolet, UV）光谱范围内的光学器件（如UV发光二极管和高功率UV激光二极管）中具有重要应用。为了优化器件设计并预测其功能，了解材料的基本电子特性（包括电子有效质量）至关重要。然而，此前关于高铝含量AlGaN合金中自由电子有效质量的实验数据尚未被明确测定。因此，本研究旨在通过中红外光学霍尔效应（mid-infrared optical Hall effect, MIR-OHE）技术，测定Si掺杂Al0.72Ga0.28N合金中的电子有效质量参数，并探讨其与铝含量的关系。
研究流程
本研究主要包括以下几个步骤：
样品制备
研究使用热壁金属有机化学气相沉积（metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD）技术在4H-SiC衬底上生长了Si掺杂的Al0.72Ga0.28N外延薄膜。样品结构包括未掺杂的AlN缓冲层、连续梯度AlGaN层和未掺杂的Al0.72Ga0.28N层，用于应变工程以避免裂纹。Si掺杂浓度为9.6×10^18 cm^-3。
中红外光谱椭偏测量（MIR-SE）
使用傅里叶变换基中红外椭偏仪在300 cm^-1至6000 cm^-1光谱范围内进行测量，分辨率为2 cm^-1。通过广义椭偏仪形式主义和Mueller矩阵形式主义分析样品的光学响应，确定声子模式和自由载流子参数。
中红外光学霍尔效应测量（MIR-OHE）
使用自定义的傅里叶变换基中红外椭偏仪在600 cm^-1至1700 cm^-1光谱范围内进行测量，分辨率为1 cm^-1。测量在室温下进行，入射角为45°，磁场强度为±7 T。通过分析磁场诱导的双折射效应，确定自由载流子浓度、迁移率和有效质量参数。
数据分析与模型拟合
采用分层模型分析方法，将MIR-SE和MIR-OHE数据结合，使用参数化模型介电函数进行拟合。通过同时匹配实验数据和模型数据，确定最佳物理模型参数，包括声子模式频率、自由载流子浓度、有效质量和迁移率。
主要结果
1. 电子有效质量参数
研究发现，Si掺杂Al0.72Ga0.28N中的电子有效质量参数为m* = (0.336 ± 0.020) m0（m0为自由电子质量），未发现显著的各向异性。这一结果支持了理论预测。
有效质量与铝含量的关系
假设AlGaN合金中电子有效质量随铝含量线性变化，并结合GaN的电子有效质量值（m* = 0.232 m0），推算出AlN的平均电子有效质量为m* = 0.376 m0。
声子模式行为
研究证实了高铝含量AlGaN合金中E1(TO)声子模式的双模行为和A1(LO)声子模式的单模行为，与之前的拉曼散射研究结果一致。
结论
本研究通过MIR-OHE技术首次测定了高铝含量AlGaN合金中的电子有效质量参数，填补了该领域实验数据的空白。研究结果表明，电子有效质量随铝含量线性增加，且未表现出显著的各向异性。这一发现为高铝含量AlGaN合金在深紫外光学器件中的应用提供了重要的理论支持。此外，研究还验证了高铝含量AlGaN合金中声子模式的行为，进一步加深了对该材料物理性质的理解。
研究亮点
1. 创新性方法
本研究首次将MIR-OHE技术应用于高铝含量AlGaN合金的电子有效质量测定，展示了该技术在半导体材料表征中的潜力。
重要发现
研究测定了Si掺杂Al0.72Ga0.28N中的电子有效质量参数，并推算了AlN的电子有效质量值，为相关材料的理论模型提供了实验依据。
应用价值
研究结果为高铝含量AlGaN合金在深紫外光学器件中的优化设计提供了关键参数，具有重要的应用价值。
其他有价值的内容
研究还探讨了高铝含量AlGaN合金中自由载流子浓度和迁移率的各向异性，发现平行和垂直于c轴方向的迁移率存在差异，可能与缺陷和杂质分布有关。这一发现为进一步研究材料中的缺陷行为提供了线索。
以上报告全面介绍了本研究的背景、流程、结果和意义，为相关领域的研究人员提供了详细的参考。