中国半导体十大研究进展候选推荐（2022-049）——III族氮化物宽禁带半导体的高效p型掺杂新途径研究
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工作简介
III族氮化物（又称GaN基 ）宽禁带半导体是第三代半导体的典型代表，具有一系列优异性质，是继Si和GaAs之后最重要的半导体材料，对国家的产业升级、节能减排具有战略意义，同时它也是全球高技术竞争的关键领域之一，我国政府高度重视，在若干国家科技和产业发展计划中被列为重点发展方向。AlGaN基深紫外发光器件是继半导体照明后GaN光电子领域主要的研究方向之一，对新冠病毒和其它菌毒有显著的灭杀效果，同时是替代汞灯等气态紫外光源的唯一方案，是国家的重大需求。
当前AlGaN基深紫外发光器件面临的主要挑战是电光转换效率十分低下，其中一个主要瓶颈是高Al组分（>50%）AlGaN材料的高效p型掺杂，也是当前氮化物半导体研究最为关键的科学问题之一，严重制约AlGaN基深紫外光电器件性能提升。AlGaN中Mg杂质离化能很大、难以热激活是实现p型掺杂的核心难点。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III族氮化物半导体的主流制备方法MOCVD外延是一个巨大挑战。
北京大学许福军、沈波团队创新发展了一种“脱附控制超薄层外延”方法, 在III族氮化物宽禁带半导体的高效p型掺杂方面取得显著进展。研究团队提出利用MOCVD材料生长过程中的原子表面脱附行为，实现了厚度为3个原子层（约为0.75 nm）的高Al组分AlGaN的稳定制备（图1a），并以此为垒层制备了自组装p型AlGaN短周期超晶格（等效Al组分超过50%），成功将激活能大幅降低至17.5 meV，室温空穴浓度达到8.1×1018 cm-3（图1b）。更为重要的是，通过电流-电压测试中负微分电导效应，证明p型AlGaN 短周期超晶格中微带的形成（图1c），为空穴的纵向输运提供了通道，这也是国际上首次从实验上确认p-AlGaN超晶格微带物理途径的有效性。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，器件的载流子注入效率及光提取效率均得到显著提升，100 mA电流下出光功率达到17.7 mW，显示了巨大的器件应用潜力和价值。
图1.（a）基于“脱附控制超薄层外延”方法制备的自组装p型AlGaN 短周期超晶格。（b）p型AlGaN 短周期超晶格的变温霍尔效应测试结果。（c）p型AlGaN 短周期超晶格中负微分电导效应。
相关研究成果以“Sub-nanometer ultrathin epitaxy of AlGaN and its application in efficient doping”为题发表于《光：科学与应用》（Light: Science & Applications 11, 71(2022)）。本研究工作主要由王嘉铭博士和王明星博士共同完成，许福军副教授和沈波教授是论文共同通讯作者。该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
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作者简介
通讯作者
沈波，北京大学教授、理学部副主任、宽禁带半导体研究中心主任；长江学者、国家杰青、基金委创新群体带头人、973项目首席科学家、863计划“第三代半导体”重点专项总体专家组组长、“战略性电子材料”重点专项总体专家组成员。
通讯作者
许福军，北京大学物理学院博士生导师、副教授。
近年来主要开展AlGaN 基深紫外发光材料和器件研究，在高质量AlN、高效率AlGaN量子阱以及AlGaN掺杂研究方面达到国际先进水平。迄今以一作/通讯作者在Light: Science & Applications、 Applied Physics Letters、 Optics Express等一流学术期刊上共发表一作/通讯作者论文30多篇，获得/申请国家发明专利10多件，并实现部分科研成果落地付诸产业化应用。
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原文传递
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《半导体学报》简介：
《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。
“半语-益言”系列讲座
借一言半语，聊“核芯”科技，“半语-益言”全三季直播讲座回放链接：
https://www.koushare.com/topicReview/byyy/68
“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：
《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：jos@semi.ac.cn，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。
JOSarXiv预发布平台简介：
半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。
JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！
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