北京大学沈波、许福军团队在高Al组分AlGaN的高效p型掺杂研究中获重要进展

半导体产业网获悉：近日，北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、宽禁带半导体研究中心沈波、许福军团队在高Al组分AlGaN的高效p型掺杂研究中获得重要进展。

该研究成果以“亚纳米超薄铝镓氮的制备及其在高效率掺杂中的应用”（Sub-nanometer ultrathin epitaxy of AlGaN and its application in efficient doping）为题在线发表于在线发表在《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）上。

在当前新冠肺炎疫情下，对公共场所新冠病毒消杀及个人防护提出了更高的要求。而AlGaN基深紫外光源以其高效杀毒、便携及环保等优势，在该领域展现出巨大的应用潜力。然而，高Al组分AlGaN外延薄膜中Mg杂质离化能很大、难以热激活是实现其高效p型掺杂，进而实现高性能AlGaN基深紫外LED器件的核心难题之一。短周期超晶格技术路线能通过微带的形成有效降低高Al组分AlGaN中Mg杂质的离化能，并有利于载流子输运。然而，微带的形成要求亚纳米厚度势垒层的可控制备，这对氮化物半导体的主流制备方法MOCVD外延技术是一个巨大挑战。

据介绍，科研团队创新发展了一种“脱附控制超薄层外延”方法，成功解决了亚纳米厚度高Al组分AlGaN外延层的可控制备难题，实现了厚度为3个单原子层（约为0.75 nm）的高Al组分AlGaN外延层，并在此基础上制备出高质量的p型AlGaN 短周期超晶格。同时，该方法有利于Mg原子占据Al、Ga原子脱附后产生的空位而并入晶格，可有效增加AlGaN外延层中Mg的掺杂浓度。

 

 

图1 基于脱附控制方法外延生长的p型AlGaN超晶格

 

基于该方法实现的p型AlGaN短周期超晶格（等效Al组分超过50%）的室温空穴浓度达到8.1×1018 cm-3。变温Hall实验测定其Mg受主离化能为17.5 meV, 实现了AlGaN中Mg离化能的大幅度降低。更为重要的是，亚纳米超薄势垒层保证了超晶格中微带的形成，为空穴的纵向输运提供了通道。将该p型AlGaN超晶格结构应用到深紫外LED器件中，器件的载流子注入效率及光提取效率（配合高反射率p型电极）均得到显著提升，100 mA下出光功率达到17.7 mW。

 

 

图2  p型AlGaN超晶格中受主激活及空穴纵向输运的示意图和实验结果

 

该项研究提出了采用MOCVD方法制备亚纳米厚度多元合金半导体外延材料的新路径，并可进一步提高氮化物半导体发光器件的电光转换效率，也为宽禁带半导体材料中普遍存在的掺杂非对称性问题的解决提供了新思路，有望对宽禁带半导体技术和产业的发展产生推动作用。

北京大学王嘉铭博士后和王明星博士生为共同第一作者，许福军副教授和沈波教授为共同通讯作者。与此同时，北京大学葛惟昆教授指导了该工作，并对论文的写作做出了贡献。王新强教授、康香宁老师、秦志新老师、杨学林老师、唐宁老师等也对该工作提供了有益的指导意见。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划以及山东省重大科技创新工程等项目的支持。