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基于量子工程非平衡摻雜實現高效p型摻雜AlGaN
2021-04-20 发光室 石芝铭
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  近日,中國科學院长春光学精密机械与物理研究所黎大兵研究员团队和中國科學院半导体所邓惠雄研究员合作报道了一种通过量子工程非平衡掺杂实现高效率p型超宽禁带氮化物材料的方法。该研究团队发现,将GaN量子点引入高Al組分AlGaN材料体系中,可以提升材料局部价带顶能级,使得Mg受主激活能大幅度降低,从而获得低电阻、高空穴浓度的AlGaN材料,进而制备高性能深紫外LED。 

  AlGaN材料具有直接可調寬帶隙,是制備UVC光源的理想材料。但高Al組分AlGaN材料p型摻雜效率極低,成爲實現高性能深紫外光源的主要障礙之一。其中,激活能高主要源于受主強局域化導致其成爲深能級。這一問題在寬禁帶半導體中普遍存在,是一個物理限制問題。發展新型摻雜方法,克服摻雜的物理限制,降低受主激活能,是提升高Al組分AlGaN材料p型摻雜效率的根本,也是推動深紫外光源效率提升的關鍵所在。 

  該團隊提出了一種量子工程非平衡摻雜方法,通過AlGaN材料體系中引入GaN量子結構,並將摻雜劑集中摻雜在GaN局域量子結構附近的基質材料中,形成非平衡材料體系,促使系統價帶頂(VBM)上移,並保證雜質能有效釋放空穴至VBM,從而實現了高Al組分AlGaN受主摻雜激活能降低。首先,理論上構建了量子工程摻雜模型,發現在AlN材料中引入GaN量子點能夠有效調控整個體系的價帶頂位置,並且價帶頂能級呈現上升趨。基于上述量子工程摻雜理論,通過金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)生長AlGaN:GaN量子點結構。該團隊通過發展“間斷外延”的非平衡生長法來實現AlGaN:GaN量子點非平衡摻雜系統。利用變溫Hall測試,發現Mg受主激活能均小于50 meV,相比體材料均勻摻雜方式的激活能降低了近一個數量級,並且空穴濃度均達到1018 cm-3量級,達到國際先進水平。將非平衡量子摻雜方法應用到了深紫外LED中,其性能得到顯著提升。相關結果以“Quantum engineering of non-equilibrium effificient p-doping in ultra-wide band-gap nitrides”为题发表在国际顶尖學術期刊《Light: Science & Applications》。 

  本工作不僅提高了基于超寬禁帶氮化物光電器件的效率,而且對其它超寬禁帶材料摻雜問題提供了新的解決思路,有望對超寬禁帶半導體産業的發展産生推動作用。 

圖:Mg受主均勻摻雜在(aAlN和(cGaN中均表現出高激活能,(b)當將GaN量子結構引入AlN中,並將摻雜劑摻雜于AlN基質中、富集在量子結構周圍時,體系的價帶頂將由GaN量子結構決定,基質中的受主雜質可釋放空穴。 

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