物理研究所用纯n型氮化物半导体实现整流特性
GaN基材料(主要包括GaN,以及与InN,AlN的合金)由于其大范围可调节的直接禁带,饱和电子迁移速度大,击穿场强高等优异的性能,已经成为高频大功率光电和电子器件领域的重要材料。其中通过对半导体材料的p型和n型掺杂以形成的p-n结是许多器件的核心结构之一。然而,由于p型GaN空穴浓度低,电子迁移率小,低效率的GaN的PN结也成为阻碍这些器件的发展的原因之一。
近期,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)的E03组的博士生左朋以及江洋、王禄、马紫光副研究员在陈弘研究员的指导下,与刘伍明研究员课题组以及首都师范大学 纪安春教授合作,利用材料的极化特性,在纯n型GaN/(Al,Ga)N/GaN双异质结中插入InGaN量子阱,观察到正向和反向导通的显著差异,成功实现了p-n结整流特性。
如图1(a)所示,当InGaN 插入层在AlGaN势垒层下方时,由于 InGaN层存在压电极化,InGaN 量子阱能级倾斜,这诱导了 InGaN/GaN 界面势垒的形成;同时电子从 AlGaN/GaN 界面沟道向 InGaN 量子阱的扩散,因而 GaN spacer 的能级抬高形成阻挡电子扩散的势垒。这两个势垒增强了AlGaN/GaN界面沟道对电子的限制作用,导致沟道中的电子浓度增加,从而降低正向开启电压。同时,InGaN插入层离AlGaN势垒层的距离(GaN spacer的厚度)对电学性质有直接的影响,如图1(c)所示,当 GaN spacer层厚度为15 nm 时,样品展示了高达-10.6 V的反向开启电压,样品在±1.8 V 时的整流比(RR)高达 8.2×104。
图1(a)GaN/Al0.15Ga0.85N/GaN spacer/In0.2Ga0.8N/GaN和无InGaN量子阱插入层结构的能带图。(b)不同GaN spacer厚度样品的能带图。(3)I-V特性曲线。 |
图2(a)n-GaN/AlGaN/GaN/InGaN/n-GaN 异质结样品在不同偏压下的导带图 (b)样品的 I-V 关系(散点)与理论拟合曲线 |
该项研究工作得到了国家自然科学基金委(11574362, 61210014, 11374340, 11474205)、北京市科技计划(Z151100003515001)的资助,其中器件研制工作得到了微加工实验室顾长志研究组的大力支持。