北大许福军、沈波团队在高Al组分AlGaN的高效p型掺杂获重要进展

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"Sub-nanometer ultrathin epitaxy of AlGaN and its application in efficient doping"为题在线发表在《Light: Science & Applications》。

深紫外LED器件因对新型冠状病毒具有显著的灭杀效果而成为面向人民生命健康的国家重大需求，高铝组分铝镓氮（AlGaN）的高效p型掺杂是实现高性能深紫外LED器件的关键。

然而，AlGaN中镁（Mg）杂质离化能很大，成为实现其高效p型掺杂的核心难题。短周期超晶格技术路线能有效降低AlGaN中Mg杂质的离化能，并通过微带有效提升载流子输运性能；但是，短周期超晶格中微带的形成要求可控制备亚纳米厚度势垒层，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。

针对这一难题，北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室许福军副教授、沈波教授团队创新发展了一种“脱附控制超薄层外延”方法，成功实现了厚度为3个原子层（约为0.75 nm）的高Al组分AlGaN的可控外延（如图）。

图1 基于脱附控制方法外延生长的p型AlGaN超晶格

基于该方法制备的p型AlGaN 短周期超晶格（等效Al组分超过50%）中Mg受主离化能大幅度降低至17.5 meV，使得室温空穴浓度达到8.1×10^18 cm^-3；同时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超晶格结构应用到发光波长280 nm的深紫外LED器件中，其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。

2022年3月24日，相关研究成果以“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《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）上。

北京大学物理学院博士后王嘉铭和王明星博士为共同第一作者，许福军和沈波为共同通讯作者；合作者包括人工微结构和介观物理国家重点实验室客座教授葛惟昆和宽禁带半导体研究中心的王新强教授、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。

论文原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41377-022-00753-4