GaN材料中的电子阻挡层pn结及其能带图

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：但对于GaN基半导体而言，镁仍然是已知的最佳p型掺杂剂。如果使用标准的GaN pn结，大部分复合发生于p区，这一点很关键。从而我们可以考虑使由InGaN/GaN量子阱构成的有源层进入p区生长。很不幸，较高的杂质浓度将导致因InGaN合金相互扩散而出现的临界现象，影响着辐射效率。为了避免复合发生于p型GaN中，引入称为“电子阻挡层”的电子扩散势垒区。图3-2 正向偏置情况下的AlGaN电子阻挡层pn结的能带图

用受体原子掺杂GaN获得高浓度空穴一直是一个难题。最初用MOVPE生长的镁掺杂层是高阻性的，因为镁受体原子具有氢纯化效应。直到20世纪80年代后期，在发现镁掺杂的GaN层可用电子束曝光激活[AMA 89]之后，才出现第一个pn结。虽然p型GaN掺杂不再是光电子器件制造的主要障碍，但仍需要解决GaN镁掺杂层的关键技术问题，因为它们的电阻率仍然很高。主要原因是镁受体原子的深能级和引入高浓度镁后p型外延层结构性品质的降低。但对于GaN基半导体而言，镁仍然是已知的最佳p型掺杂剂。

让我们以氮化物为例来说明pn结的理论。pn结由n型材料（过剩电子）和p型材料（过剩空穴）构成。理想情况下，假定所有的掺杂剂均为完全电离的，因此自由电子（空穴）的浓度等于施主（受主）的浓度（n=N_D、p=N_A）。如果N_A=N_D，pn结是对称的，电流的形成主要是因为扩散效应（理想的pn结）。随后复合过程同时在p型GaN和n型GaN中发生。然而，如前所述，氮化物基pn结的主要问题为p型掺杂。由于镁的激发能级较深（E_A≈200meV），所有p型掺杂剂的原子无法在300K电离（N_A＞p）。所以为了获得p型导电性，需要较高的原子浓度。另外，过量的镁原子会导致自动补偿效应。材料将获得绝缘性，因为氮空穴（V_N）以及/或者MgV_N（Mg₂V_N）复合物同时形成。当采用MOVPE技术时，这种现象通常出现在镁原子浓度大于2.10¹⁹at/cm³时。硅原子的电离能与n型GaN相比较低（E_D≈30meV@300K），所以自由电子的数量等于施主的数量（n≈N_D）。

pn结中的正电荷和负电荷产生电场。其实，在自由载流子扩散后，耗尽区的唯一电荷是电离的施主和受主，电中性的状态将消失。耗尽区也称为空间电荷区（SCR），宽度为W（n区的W_n和p区的W_p）。N区带正电荷而p区带负电荷，如图3-1所示。我们注意到耗尽区在低掺杂区延伸得更深。此处让我们再回忆一下在计算耗尽层宽度时要考虑的参数是施主或受主原子的数量，而不是电子或空穴的浓度。

图3-1 热平衡时的pn结能带图

E_Fn（E_Fp）—p（n）区的准费米能级 CB—导带 VB—价带 W—耗尽层的宽度（W=W_n+W_p） L_n（L_p）—电子（空穴）

如前面所讨论，为了达到合适的电导率，GaN的pn结需要大量的镁原子，所以N_A>N_D（由于受主的能级深度）。300K时只有百分之几的镁原子电离。所以SCR主要在n区延伸，未偏置的GaN空间电荷区p区和n区的延伸长度分别为

式中，V_d为扩散电压；e为基本电荷；ε为真空磁导率。扩散电压因构成中性区的两个相反导电类型区域间的电位差而形成，公式如下：

式中，n_i为本征载流子浓度。通常，考虑硅原子的当量浓度，电子浓度为3×10¹⁸cm^-3，然而当镁原子浓度超过1×10¹⁹ cm^-3时，空穴浓度为5×10¹⁷ cm^-3。未偏置条件下对应的p区和n区SCR宽度分别约为29nm和9nm。结果，镁掺杂的程度越高，pn结就越不成形。而且，由于空穴迁移率（μ_p≈10cm²/V/s）比电子迁移率（μ_n≈200cm²/V/s）低，使空穴难以注入。所以在低电流注入时，p区控制着电流。如果使用标准的GaN pn结，大部分复合发生于p区，这一点很关键。从而我们可以考虑使由InGaN/GaN量子阱构成的有源层进入p区生长。很不幸，较高的杂质浓度将导致因InGaN合金相互扩散而出现的临界现象，影响着辐射效率。

为了避免复合发生于p型GaN中，引入称为“电子阻挡层”的电子扩散势垒区。目前这种技术已经应用于GaN LED[NAK 94]，甚至用于某些基于砷化物Ⅲ-Ⅴ族化合物的LED中。图3-2所示为这种pn结在正向偏置条件下的能带图。由于电子势垒非常高，导带无法穿过且停留在pn结的n区。另一方面，价带中的空穴势垒较低，原因在于更小的带移和镁掺杂，使空穴能够相当容易地通过。结果，复合在N型GaN或SCR中发生。

图3-2 正向偏置情况下的AlGaN电子阻挡层pn结的能带图

GaN材料中的电子阻挡层pn结及其能带图

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