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氮化镓半导体中非期望杂质作用的“发光”

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2021年4月15日

科学家已经揭示了碳杂质对氮化镓电荷载体影响的机制。

氮化镓（GaN）半导体被认为是硅的未来替代品，尤其是由于其在快速开关应用中的优越性能。然而，GaN晶体中不需要的杂质会降低其开关性能。在一项新的研究中，日本名古屋理工学院的科学家探索了碳杂质对GaN电荷载流子影响的机制，为GaN晶体生长中的杂质控制策略铺平了道路。

今天的半导体工业和几乎所有的电子产品都是由硅主导的。在晶体管、计算机芯片和太阳能电池中，硅几十年来一直是标准元件。但这一切可能很快就会改变，氮化镓（GaN）将成为一种强大、甚至更优越的替代品。

虽然没有听说过，但GaN半导体自20世纪90年代以来就出现在电子市场，并经常被用于电力电子设备，因为它们的带隙比硅更大，这使它成为高压和高温应用的更好候选人。此外，电流通过氮化镓的速度更快，这确保了开关应用过程中的开关损耗更少。

然而，并非GaN的一切都是完美的。虽然杂质在半导体中通常是可取的，但不需要的杂质往往会降低它们的性能。在氮化镓中，杂质(如碳原子)常常导致较差的开关性能，这是由于电荷载流子被困在“深能级”，能级是由氮化镓晶体层中的杂质缺陷造成的，人们认为这是由于碳杂质在氮位点上的存在而产生的。

通过时间分辨光致发光(TR-PL)和微波光电导率衰减(µ-PCD)等表征技术报道，GaN的光致发光光谱中出现了长寿命的黄色发光，以及长载流子复合时间。然而，这种长寿背后的机制尚不清楚。

在最近发表在应用物理学杂志来自日本的科学家通过观察TR-PL和µ-PCD信号随温度的变化，探索了深能级对黄色发光衰减时间和载流子重组的影响。“只有了解氮化镓功率半导体器件中杂质的影响，才能推动氮化镓晶体生长中杂质控制技术的发展。”日本名古屋工业学院的Masashi Kato教授说，他领导了这项研究。

科学家们准备了两个生长在GaN衬底上的GaN层样品，一个掺硅，另一个掺铁。碳杂质的非故意掺杂发生在硅掺杂过程中。对于TR-PL测量，由于系统限制，团队记录了温度高达350°C时的信号，而对于µ-PCD，温度高达250°C时的信号。他们使用1纳秒长的紫外激光脉冲来激发样品，并测量样品对µ-PCD的微波反射。

两个样品的TR-PL信号显示出一个较慢的（衰减）成分，衰减时间为0.2–0.4毫秒。此外，使用截止波长为461 nm的长通滤波器证实了黄光的存在。在这两种样品中，以及对于TR-PL和µ-PCD测量，衰变时间下降到200°C以上，与以前的报告一致。

为了解释这些发现，科学家们采用了数值计算，结果显示，深能级本质上捕获了“空穴”(没有电子)，这些空穴最终与自由电子结合，但由于电子被深能级捕获的几率极小，所以花了很长时间才做到这一点。然而，在高温下，空穴设法逃脱了陷阱，并通过一个更快的重组通道与电子重新结合，这解释了衰减时间的下降。