极化诱导掺杂AlGaN薄膜PN结的机理和关键技术研究

III-Nitride semiconductors (GaN, AlN, InN) have attracted a lot of interest for their applications in optoelectronic and high power devices. However, it is a key factor that the highly resistive p-type layers of nitrides have limited the performance of devices.It is well known that polarization is strong in wurtzite GaN.The polarization induces doping and enhance doping efficiency.In this work,the graded AlGaN thin film PN junction is grown along [0001] direction on GaN template using MBE technique.The polarization doping not only resolves p type doping efficiency issue of III-Nitrides, but also makes processing easy and low cost because no dopant is needed.The polarization doped AlGaN thin film PN junction is useful on UV detector, LED emitter, transistor works with high temperature and voltage and laser devices.This novel polarization doping technique potentially promote the industry application of III-Nitrides.

III-氮化物半导体材料（GaN, AlN, InN）由于在光电子和高功率器件上具有广阔的应用前景而备受关注。然而，难以获得高浓度的p型掺杂已经成为制约器件性能提高的关键因素。众所周知，六方晶系的氮化物半导体材料内存在极强的极化电场。这种极化电场可以用于极化诱导掺杂，改进掺杂效率。本项目拟采用分子束外延技术（MBE）,在GaN模板上沿[0001]晶向方向生长Al组分线性渐变的AlGaN薄膜 PN结。利用氮化物半导体中的极化效应，在PN结中实现无掺杂元素的高载流子浓度极化掺杂。本项目研究的这种极化掺杂技术不仅能够解决p型掺杂效率低的问题，而且由于不需要掺杂元素，简化了制备工艺，极大地降低了成本。采用极化掺杂方法制备的AlGaN PN结可以用于紫外探测，LED发光，高温高压状况下工作的二极管开关及激光器等诸多领域。这项新颖的极化掺杂技术将为宽禁带氮化物半导体的工业化应用起到极大促进作用。

摘要：.III-氮化物半导体材料（GaN, AlN, InN）由于具备优异的特性在光电子和高功率器件上具有广阔应用前景而备受关注。然而，p型掺杂已经成为制约GaN基器件性能提高主要障碍。六方晶系的氮化物半导体材料内存在极强的极化电场，这种极化电场可以用于极化诱导掺杂，改进掺杂效率。在无掺杂剂条件下，在线性渐变的AlxGa1-xN（x=0-0.3）薄膜中获得了自由电子浓度高达1020cm-3量级。采用Be和Mg元素作为掺杂剂，比较了极化诱导下相同Be和Mg元素掺杂浓度的AlxGa1-xN（x=0.7-1）空穴浓度。结果证明，由于Be掺杂剂在宽禁带AlxGa1-xN（x=0.7-1）中的激活能较Mg元素低，极化电场诱导下获得的空穴浓度较采用Mg掺杂剂高出近100倍。基于氮化物半导体中的极化效应，在PN结中实现了无掺杂元素的高载流子浓度掺杂。在GaN模板上沿[0001]晶向方向生长了Al组分线性渐变的AlGaN薄膜 ，研制出具有高击穿电压低漏电流的极化诱导PN结。本项目研究的这种极化掺杂技术不仅解决了宽禁带AlGaN材料的p型掺杂效率低问题，而且不需要掺杂元素，简化了制备工艺，极大地降低了成本。极化诱导掺杂方法制备了AlGaN PN结可以用于紫外探测，LED发光，高温高压状况下工作的二极管开关及激光器等诸多领域。这项新颖的极化掺杂技术将为宽禁带氮化物半导体的工业化应用起到极大促进作用。