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氮化镓半导体中不需要杂质的作用

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4月15日2021年

科学家们发现了碳杂质对氮化镓载流子影响的机制。

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卓越性能。然而，氮化镓晶体中的杂质会降低其开关性能。在一项新的研究中，来自日本名古屋工业学院的科学家们探索了碳杂质对GaN电荷载体影响的机理，为GaN晶体生长中的杂质控制策略铺平了道路。

今天，半导体行业和几乎所有的电子产品都由硅主导。几十年来，在晶体管、计算机芯片和太阳能电池中，硅一直是一种标准组件。但这一切可能很快就会改变，氮化镓(GaN)将成为一种强大的、甚至更好的替代品。

虽然不是很清楚，GaN半导体自20世纪90年代以来一直在电子市场，并且由于它们比硅相对较大的带隙而受雇于电力电子设备 - 一个方面，这是一种使其成为高压和高温的更好候选者应用程序。此外，电流通过GaN更快地旅行，这确保了交换应用过程中的开关损耗较少。

然而，没有关于GaN的一切都是完美的。虽然通常在半导体中所需的杂质通常，但不需要的杂质通常会降低它们的性能。在GaN中，诸如碳原子的杂质通常由于捕获电荷载流子的捕获而导致的切换性能较差，这是通过GaN晶体层中的杂质缺陷产生的能量水平，并认为源自碳杂质的存在氮遗址。

深度水平的好奇的实验表现是GaN的光致发光光谱中的长寿命的黄色发光的外观以及通过表征技术的长电荷载体重组时间，如时间分辨的光致发光（TR-PL）和微波光电导性衰减（μ-PCD）。然而，这种寿命的机制尚不清楚。

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信号随温度而改变的改变，探索了深度水平对黄色发光衰减时间和载体重组的影响。“只有在理解甘蓝杂质的影响之后，我们可以推动GaN晶体生长中的杂质控制技术的发展，”Masashi Kato教授从名古屋理工学院，日本，领导了这项研究。

科学家们制备了生长在GaN衬底上的两种GaN层样品，一种掺杂了硅，另一种掺杂了铁。在硅掺杂过程中出现了碳杂质的非故意掺杂。对于TR-PL测量，由于系统的限制，团队记录的温度高达350°C，而对于µ-PCD，由于系统的限制，记录的温度最高可达250°C。他们使用1纳秒长的紫外激光脉冲来激发样品，并测量了微波从样品的反射。

两个样本的TR-PL信号都显示出较慢的(衰减)成分，衰减时间为0.2-0.4毫秒。此外，使用了截止波长为461 nm的长通滤光片，证实了黄光的存在。在这两个样品中，以及在TR-PL和µ-PCD测量中，当温度超过200°C时，衰减时间下降，这与之前的报告一致。

为了解释这些调查结果，科学家们诉诸数值计算，这揭示了最终与自由电子重新组合的“孔”（不存在电子的孔“（没有电子），但由于电子存在的机会极小的机会，所以需要很长时间被深水平捕获。然而，在高温下，孔管理以逃离陷阱并通过电子复合通道与电子重新组合，解释衰减时间的下降。