半導體產業網獲悉：近日，北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、寬禁帶半導體研究中心沈波、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用”（Sub-nanometer ultrathin epitaxy of AlGaN and its application in efficient doping）為題在線發表于在線發表在《光：科學與應用》（Light: Science & Applications）上。

在當前新冠肺炎疫情下，對公共場所新冠病毒消殺及個人防護提出了更高的要求。而AlGaN基深紫外光源以其高效殺毒、便攜及環保等優勢，在該領域展現出巨大的應用潛力。然而，高Al組分AlGaN外延薄膜中Mg雜質離化能很大、難以熱激活是實現其高效p型摻雜，進而實現高性能AlGaN基深紫外LED器件的核心難題之一。短周期超晶格技術路線能通過微帶的形成有效降低高Al組分AlGaN中Mg雜質的離化能，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，這對氮化物半導體的主流制備方法MOCVD外延技術是一個巨大挑戰。

據介紹，科研團隊創新發展了一種“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，并在此基礎上制備出高質量的p型AlGaN 短周期超晶格。同時，該方法有利于Mg原子占據Al、Ga原子脫附后產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超晶格結構應用到深紫外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體外延材料的新路徑，并可進一步提高氮化物半導體發光器件的電光轉換效率，也為寬禁帶半導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，有望對寬禁帶半導體技術和產業的發展產生推動作用。

北京大學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，北京大學葛惟昆教授指導了該工作，并對論文的寫作做出了貢獻。王新強教授、康香寧老師、秦志新老師、楊學林老師、唐寧老師等也對該工作提供了有益的指導意見。該工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃以及山東省重大科技創新工程等項目的支持。