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。

来源：半导体学报