半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)獲悉：近日，北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、寬禁帶半導(dǎo)體研究中心沈波、許福軍團隊在高Al組分AlGaN的高效p型摻雜研究中獲得重要進(jìn)展。

該研究成果以“亞納米超薄鋁鎵氮的制備及其在高效率摻雜中的應(yīng)用”（Sub-nanometer ultrathin epitaxy of AlGaN and its application in efficient doping）為題在線發(fā)表于在線發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）上。

在當(dāng)前新冠肺炎疫情下，對公共場所新冠病毒消殺及個人防護(hù)提出了更高的要求。而AlGaN基深紫外光源以其高效殺毒、便攜及環(huán)保等優(yōu)勢，在該領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，高Al組分AlGaN外延薄膜中Mg雜質(zhì)離化能很大、難以熱激活是實現(xiàn)其高效p型摻雜，進(jìn)而實現(xiàn)高性能AlGaN基深紫外LED器件的核心難題之一。短周期超晶格技術(shù)路線能通過微帶的形成有效降低高Al組分AlGaN中Mg雜質(zhì)的離化能，并有利于載流子輸運。然而，微帶的形成要求亞納米厚度勢壘層的可控制備，這對氮化物半導(dǎo)體的主流制備方法MOCVD外延技術(shù)是一個巨大挑戰(zhàn)。

據(jù)介紹，科研團隊創(chuàng)新發(fā)展了一種“脫附控制超薄層外延”方法，成功解決了亞納米厚度高Al組分AlGaN外延層的可控制備難題，實現(xiàn)了厚度為3個單原子層（約為0.75 nm）的高Al組分AlGaN外延層，并在此基礎(chǔ)上制備出高質(zhì)量的p型AlGaN 短周期超晶格。同時，該方法有利于Mg原子占據(jù)Al、Ga原子脫附后產(chǎn)生的空位而并入晶格，可有效增加AlGaN外延層中Mg的摻雜濃度。

 

 

圖1 基于脫附控制方法外延生長的p型AlGaN超晶格

 

基于該方法實現(xiàn)的p型AlGaN短周期超晶格（等效Al組分超過50%）的室溫空穴濃度達(dá)到8.1×1018 cm-3。變溫Hall實驗測定其Mg受主離化能為17.5 meV, 實現(xiàn)了AlGaN中Mg離化能的大幅度降低。更為重要的是，亞納米超薄勢壘層保證了超晶格中微帶的形成，為空穴的縱向輸運提供了通道。將該p型AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)用到深紫外LED器件中，器件的載流子注入效率及光提取效率（配合高反射率p型電極）均得到顯著提升，100 mA下出光功率達(dá)到17.7 mW。

 

 

圖2  p型AlGaN超晶格中受主激活及空穴縱向輸運的示意圖和實驗結(jié)果

 

該項研究提出了采用MOCVD方法制備亞納米厚度多元合金半導(dǎo)體外延材料的新路徑，并可進(jìn)一步提高氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的電光轉(zhuǎn)換效率，也為寬禁帶半導(dǎo)體材料中普遍存在的摻雜非對稱性問題的解決提供了新思路，有望對寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生推動作用。

北京大學(xué)王嘉銘博士后和王明星博士生為共同第一作者，許福軍副教授和沈波教授為共同通訊作者。與此同時，北京大學(xué)葛惟昆教授指導(dǎo)了該工作，并對論文的寫作做出了貢獻(xiàn)。王新強教授、康香寧老師、秦志新老師、楊學(xué)林老師、唐寧老師等也對該工作提供了有益的指導(dǎo)意見。該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃以及山東省重大科技創(chuàng)新工程等項目的支持。