科研成果

半导体所在LED P型掺杂研究方面取得新进展

半导体所在LED P型掺杂研究方面取得新进展

无论是在InGaN基蓝光和绿光LED中,还是在AlGaN基的紫外LED中,P型掺杂一直是限制获得更高发光效率的重要因素,传统的掺杂方法都是通过掺入外来原子。然而,很多因素会影响掺杂的效果,比如本征缺陷或杂质的补偿效应、掺杂原子的可溶性以及掺杂原子的激活能等。对于III族氮化物材料,通常的P型掺杂原子Mg在GaN中的激活能大约170 meV,而在AlN中,激活能则高达600 meV。虽然采用了低能电子束辐射、热退火及金属催化处理等方法来提高Mg原子的激活效率,III族氮化物材料的P型掺杂效率依然很低。最近,Simon等人提出了一种新的掺杂方法,它不依赖于热电离能,而是源自单轴晶体自发极化和压电极化导致的电场对受主的离化作用,该结果在Science刊出。

在863“半导体照明工程”重大项目和院创新工程的支持下,中科院半导体所照明中心利用自己研制的MOCVD设备,通过生长一层Al组分从0.3线性降低到0的金属面极性AlGaN层成功获得了高密度的三维极化感应空穴气,相关结果发表在Applied Physics Letters  97,062103 (2010) 98,101110 (2011)上。室温下,所获得的渐变AlGaN的空穴浓度高达2.6×1018 cm-3,并且随温度降低变化很小。与Simon等人报道的氮面材料上的P型极化掺杂相比,我们在金属面上的实现有两点明显优势:1. MOCVD通常生长的III族氮化物即为金属面,不需要特殊的生长条件,并且金属面的III族氮化物的晶体质量比氮面的高。2. 利用极化掺杂的P型金属面III族氮化物的表面是GaN,而不是具有高Al组分的AlGaN,因而P型接触的制作相对容易,更容易应用到发光器件中。我们的这种方法将有望明显改善GaN基宽禁带半导体的P型掺杂问题, 提高GaN基LED的发光效率。同时,照明中心也在P-GaN的粗化设计等方面做了系统工作,结合低温粗化和自组装图案化,显著提高了大功率LED的光提取效率,350 mA电流下,器件功率输出提高达到77.9%,相关研究结果在Optics Express 19, 1065 (2011)上发表。这种简单可控的方法,为降低LED光的全反射损耗提供了有效途径。

图1 氮化物金属面极化诱导三维空穴气示意图