近三十年以來，在學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界不懈的努力下，AlGaN基深紫外LED的性能已經(jīng)獲得較顯著的提升。但跟成熟的GaN基器件相比，目前AlGaN基的深紫外LED效率仍舊較低（<10%）。高導(dǎo)電性的p型AlGaN材料制作困難是制約深紫外LED電學(xué)、光學(xué)特性，以至效率進(jìn)步的最為關(guān)鍵瓶頸之一。在氮化物材料體系外延過程中，氫雜質(zhì)（H）容易與p型摻雜的鎂受主（Mg）結(jié)合形成中性的Mg-H絡(luò)合物，進(jìn)而鈍化Mg的受主活性，抑制器件的光電性能。對(duì)于深紫外LED而言，改善高Al組分AlGaN的p型導(dǎo)電性仍然是一個(gè)十分緊迫，但也極具挑戰(zhàn)性的難題。
近日，由國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）與第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA）主辦，南方科技大學(xué)微電子學(xué)院與北京麥肯橋新材料生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司共同承辦的第十七屆中國(guó)國(guó)際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA 2020）暨2020國(guó)際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS 2020）在深圳會(huì)展中心召開。
期間，由山西中科潞安紫外光電科技有限公司、中微半導(dǎo)體設(shè)備（上海）股份有限公司共同協(xié)辦的“固態(tài)紫外器件技術(shù)分會(huì)”上，廈門大學(xué)教授蔡端俊帶來了“氯離子局域場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的快速除氫p型增強(qiáng)技術(shù)及深紫外LED效率提升”的主題報(bào)告，分享了其研究成果。
研究提出了一種氯離子局域電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的新型高效除氫及p型增強(qiáng)技術(shù)，通過外加電場(chǎng)方式在AlGaN外延層表面吸聚高濃度氯離子層，進(jìn)行快速局域氫移除，可有效增強(qiáng)p型AlGaN導(dǎo)電性，進(jìn)而有效提升深紫外LED的發(fā)光效率。
首先，第一性原理模擬計(jì)算表明，外加電場(chǎng)可以促進(jìn)Mg-H絡(luò)合物的斷裂（圖1a，b）。特別是在定向電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下，獨(dú)立的H+離子可以快速地?cái)U(kuò)散/漂移至晶圓表面，最終離開晶圓。從這個(gè)概念出發(fā)，進(jìn)一步提出可在AlGaN表面吸附氯離子層來構(gòu)建用于除氫的局域電場(chǎng)。
如圖1c所示，氯離子局域場(chǎng)引起的能帶彎曲可以驅(qū)動(dòng)H+離子擴(kuò)散/漂移至表面，并最終離開AlGaN。基于第一性原理的結(jié)果，我們自行設(shè)計(jì)搭建三電極系統(tǒng)，采用氯離子電解液，在AlGaN外延片的表面上有效吸聚氯離子層（圖1d）。
結(jié)果表明，對(duì)于p型AlGaN外延片，經(jīng)過氯離子局域場(chǎng)處理后，氫雜質(zhì)濃度降低了52.5%（圖1e）。隨著氫雜質(zhì)的減少，更多的Mg受主可被有效激活。
因此，p型AlGaN的電流得到極大提升，并且電阻率明顯降低（圖1f）。我們進(jìn)一步將電場(chǎng)除氫技術(shù)應(yīng)用于深紫外LED外延片（圖1g）。
如圖1h所示，經(jīng)過電場(chǎng)處理之后，深紫外LED的發(fā)光功率明顯提高，增強(qiáng)幅度最大可達(dá)32%。此種新型電場(chǎng)激活技術(shù)也可以應(yīng)用于其他氮化物、甚至其他材料的半導(dǎo)體體系，除去不利的鈍化點(diǎn)缺陷，并提高器件的光電性能。
蔡端俊，一直是氮化物半導(dǎo)體，生物物理學(xué)，納米科學(xué)和納米技術(shù)的先驅(qū)，他提出了用于深紫外LED的AlGaN新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，基于AES的非接觸電表征方法，螢火蟲生色團(tuán)的生物異質(zhì)結(jié)的原始概念，超細(xì)和超長(zhǎng)Cu納米絲作為透明電極的合成以及單層的超大尺寸增長(zhǎng) h-BN膜。他是美國(guó)物理學(xué)會(huì)，美國(guó)生物物理學(xué)會(huì)，美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)和P.R.C.半導(dǎo)體學(xué)會(huì)的成員。他在同行評(píng)審的期刊和國(guó)際會(huì)議上發(fā)表了80多篇論文，并且是40多項(xiàng)專利的主要發(fā)明者。
（內(nèi)容根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料整理，如有出入敬請(qǐng)諒解）
