中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-012）——超宽禁带氮化物半导体材料高效p型掺杂

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工作简介

         ——超宽禁带氮化物半导体材料高效p型掺杂

超宽禁带氮化物由于其可调谐直接带隙、高击穿场强、优异的化学和热稳定性，在高效深紫外照明和探测、高频和大功率电子器件等领域具备极大的应用潜力。通过掺杂来调节半导体材料的导电特性，实现n型或p型导电，对于光电子或微电子器件的应用至关重要。然而，目前超宽禁带氮化物的p型掺杂效率普遍低下，成为其实现高性能器件的主要障碍。影响掺杂的主要因素有三个：（1）深掺杂能级导致的高激活能；（2）高形成焓导致掺杂剂的溶解度低；（3）自补偿效应严重。随着材料生长技术的迅速发展，低溶解度和自补偿问题得到了很大的改善。然而，高激活能问题是由宿主材料和掺杂剂的自身物理性质决定的，如何降低激活能仍然是重大挑战。

针对高受主激活能制约超宽禁带氮化物p型掺杂效率的问题，中国科学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国科学院半导体研究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调控价带顶能级位置，使得受主激活能大幅度降低，从而实现高效率p型超宽禁带氮化物材料的方法，为解决宽禁带半导体掺杂问题提供了新思路。相关结果以《超宽禁带氮化物的量子工程非平衡高效p型掺杂》（Quantum engineering of non-equilibrium efficient p-doping in ultra-wide band-gap nitrides）为题发表在国际顶尖学术期刊《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）。

黎大兵研究员团队和邓惠雄研究员提出在AlGaN材料体系中引入GaN量子结构，并将掺杂剂集中掺杂在GaN局域量子结构附近的基质材料中，形成非平衡材料体系，促使系统价带顶上移，并保证掺杂剂有效释放空穴至价带顶，从而实现了高Al组分AlGaN受主掺杂激活能降低，如图1（a）-（c）所示。首先，在理论上构建了量子工程非平衡掺杂模型，发现在AlN材料中引入GaN量子点能够有效调控整个体系的价带顶位置，并且价带顶能级呈现上升趋势。同时，利用金属有机化学气相沉积生长AlGaN：GaN量子点结构，通过发展“周期调制间断外延”的非平衡生长方法来实现AlGaN：GaN量子点非平衡掺杂系统。结果发现该掺杂系统Mg受主激活能均小于50 meV，相比体材料均匀掺杂方式的激活能降低了近一个数量级，空穴浓度均达到10¹⁸ cm^-3量级，基于量子工程非平衡掺杂方法的深紫外LED性能得到显著提升，如图1（d）所示。该掺杂方法也为其它宽禁带半导体材料的掺杂问题提供了新的解决思路，有望对超宽禁带半导体产业的发展产生推动作用。

研究工作主要由蒋科特别研究助理完成，黎大兵研究员和邓惠雄研究员是共同通讯作者。该项工作得到了国家杰出青年基金、自然科学基金委优秀青年基金、中国科学院青年创新促进会优秀会员基金等项目的资助。

图1. Mg受主均匀掺杂在（a）AlN和（c）GaN中均表现出高激活能。（c）当将GaN量子结构引入AlN中，并将掺杂剂掺杂于AlN基质中、富集在量子结构周围时，体系的价带顶将由GaN量子结构决定，基质中的受主杂质可释放空穴。（d）基于量子工程掺杂方法p-AlGaN制备的深紫外LED（Device A），其开启电压显著低于直接均匀掺杂p-AlGaN制备的深紫外LED（Device B）。

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作者简介

通讯作者

黎大兵，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员，博士生导师。

长期从事宽禁带半导体材料与器件研究。获国家杰出青年基金、第四批“万人计划”科技创新领军人才、科技部中青年创新领军人才、吉林省科学技术奖自然科学一等奖（第一完成人）等人才计划和科研奖励，担任科技部新型显示与战略性电子材料重点研发专项专家、中国电子学会青年工作委员会副主任委员、第三代半导体产业技术战略联盟青委会副主任委员等项目或学术职务，享受国务院政府特殊津贴。在Advanced Materials、Light: Science & Applications、Physical Review Letters等国际期刊发表论文100余篇，授权中国发明专利20余项。

通讯作者

邓惠雄，中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，中科院创新促进会会员，半导体学报、InfoMat 期刊青年编委。

长期从事半导体物理、半导体缺陷物理、半导体光电功能材料的物性探究与设计的研究工作。迄今已在Nature Energy、Nature Comm、Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. X、Phys. Rev. B、Adv. Mater.等期刊上发表SCI论文60多篇。

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原文传递

详情查看论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-021-00503-y

《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。

“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》在创刊四十年之际，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：[e-mail]，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！

文章来源“半导体学报”公众号

编辑：黄琦

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