摘要：作者：Leo Schowalter1,2、Maki Kushimoto1、Ziyi Zhang1、Akira Yoshikawa1和Hiroshi Amano1（1名古屋大学，2Lit Thinking）

假晶AlGaN/AlN有望提高UVC激光器、远UVC发射器和高功率固态器件的性能

作者：Leo Schowalter1,2、Maki Kushimoto1、Ziyi Zhang1、Akira Yoshikawa1和Hiroshi Amano1（1名古屋大学，2Lit Thinking）

近期，大家对超宽禁带半导体表现出了浓厚的兴趣，对此是有充分理由的。其部分吸引力在于它们有可能制造出在UVC中发射的光电器件，UVC是280nm以下波长相关的光谱域（见图1）。此外，此类半导体是创建更高性能、高功率射频器件以及提高功率器件和功率开关的功率密度和性能的有力备选者。

△ 图1：高铝组分的AlGaN禁带宽度。不幸的是，超宽禁带半导体具有吸引力，但也因此具有挑战性。通常情况下，非常大的禁带宽度伴随着非常强的化学键，导致晶体生长的温度非常高。同样，大禁带宽度阻碍了p型和n型载流子的受控掺杂。这种情况非常严重，以至于在不久前，我们将现在所说的超宽禁带半导体列为绝缘体！即使是现在，除了一些特殊情况外，在这些材料中实现可靠的空穴和电子电导仍然具有极大的挑战性。例如，高铝含量的Al1-xGaxN这种超宽禁带半导体。当该合金中的铝含量超过约50%时（即x值小于0.5时），直至纯AlN时，其禁带宽度随着铝浓度从约4.4 eV单调增加到6.1eV。与高铝含量Al1-xGaxN相关的是GaN，以及禁带宽度小于3.5eV的Al1-xGaxN和AlInGaN合金。这些材料已经取得了很大的成功，因此很自然地会在x值小于0.5的Al1-xGaxN超宽禁带合金的性能基础上进行尝试和发展。虽然这听起来很简单，但现实远非如此，成功之路存在着两个主要障碍。一是在异质衬底上外延生长高质量、高铝含量的AlGaN相对困难。而在同质AlN上进行外延生长要容易得多，特别是在高铝组分下，但由于缺乏高质量衬底，其发展受到阻碍。另一个主要问题是高铝组分AlGaN的掺杂难度。直到最近，最常见的掺杂方法是添加硅来生产n型材料。这种掺杂剂在铝浓度低于85%时效果很好，最近，佐治亚理工学院的研究人员甚至成功展示了AlN的n型掺杂。然而，生产p型掺杂要更困难。我们名古屋大学的团队一直与旭化成/Crystal IS进行合作，通过克服这两个问题开辟了新天地。近期我们对UVC激光二极管的演示突出表明，我们已经建立了一条可以解决这些问题的明确途径，从而打开新大门，允许高铝组分的AlGaN在超宽禁带器件应用中发挥更大的作用（见图1）。我们的研究是UVC激光二极管开发的一个重要里程碑，这种器件20多年来一直是领域热点。UVC中低成本激光二极管的商业化将彻底改变便携式、经济高效的化学和粒子探测器、医疗仪器以及表面监测和加工现状。所有这些应用都是利用短波长高能光子及其在大多数材料中非常短的吸收长度性能。然而，尽管对这种光源的巨大需求激发了无数的研发工作，但在2019年10月成功演示271nm激光二极管之前，我们研发的最短波长激光二极管的波长仅达到315nm（见图2）。

△ 图2：名古屋大学与旭化成/Crystal IS合作，展示了首款UVC激光二极管。我们成功的关键点有两个。一是在高质量AlN衬底上可以获得假晶Al1-xGaxN，二是使用分布式极化掺杂。通过这种形式的掺杂，可以实现低电阻率空穴注入，而无需在p型限制层中使用杂质掺杂。什么是假晶AlGaN/AlN？由于AlN块状晶体生长的发展，包括Crystal IS在内的多家公司目前可供应相关衬底。外延生长的基础来自于缺陷密度极低的AlN晶体切片材料。在氮化物半导体异质结构的生长过程中，外延层中出现的一种缺陷是所谓的穿透位错。由于晶格失配，在异质衬底（例如蓝宝石、SiC或Si）上的生长期间往往会出现这种类型的高密度位错。由于这些穿透位错会降低器件性能，氮化物界投入了大量精力来降低其密度，减轻其对器件的影响。即使做了这么多努力，但仍需要非常小心才能将高铝组分AlGaN中的穿透位错控制在108 cm-2以下，从而导致了成本高昂。好消息是，目前有几家供应商可以提供穿透位错密度小于103cm-2的2寸AlN衬底，并且即将出现更多生产商。当这些衬底的表面经过适当处理（最典型的是Al极性c面）时，通常会产生穿透位错密度低于104 cm-2的AlN同质外延。至关重要的是，AlN衬底还可以为具有非常低的穿透位错密度的AlGaN合金奠定基础。由于GaN、AlN和相关合金的晶体结构相同，因此精心准备的原生AlN表面有望能够作为所有AlGaN合金生长的良好模板。不幸的是，块状GaN和AlN之间存在明显的晶格失配——高达2.4%。因此，如果使用c面晶体表面作为模板在AlN上生长GaN，则外延GaN层在c面中的压缩应变为2.4%。这会产生巨大的应变能，并随着GaN层的厚度线性增加。最终，必须采用某种方式缓解这种应变。作为外延生长领域的人员都很清楚，有许多机制可以缓解应变，包括形成岛，造成表面粗糙。然而，对于高铝组分AlGaN最重要的机制是沿界面形成失配位错（见图3）。如图所示，当原子平面沿着界面跳跃时，会形成边缘失配位错，从而导致适合底层AlN晶格的GaN外延层压缩减少。

△ 图3：在高铝组分的AlGaN中，可能会沿着界面形成失配位错。失配位错的核心是一排带有悬挂键的原子。然而，这并不是唯一的难题，因为失配位错周围存在不均匀的应变场。它们共同作用产生了与每个失配位错和非均匀性引起的额外应变能相关的“核心能量”。半个多世纪以来，众所周知，一旦应变外延层超过临界厚度，失配位错阵列引入的额外能量可以通过降低失配阵列产生的弹性应变能来进行平衡。如果该层的厚度低于临界厚度，则外延膜处于较低的能量状态并且进行假晶应变来精确匹配衬底的晶格参数。对于在AlN上生长GaN，其临界厚度仅为几纳米。利用Vegard定律，可以预估AlGaN和AlN之间的晶格失配。这种涉及线性插值的方法确定了Al0.6Ga0.4N的晶格失配率仍然接近1%——粗略地说，其临界厚度仅增加了2.5倍，远远低于大多数器件结构所需的厚度。幸运的是，实际上比这些预测要好。早在2009年，我们Crystal IS的同事就展示了，可以在AlN衬底的c面上假晶生长0.5μm厚的Al0.6Ga0.4N层。从那时起，就已经证明了更厚的假晶层具有铝组分更高的AlGaN层。虽然这在当时是一个非常令人惊讶的结果，但也是可以解释的。虽然通过形成位错失配网络可以降低外延层中的应变能，但其不存在易滑面。这点很重要，因为如果没有这些滑移面，外延层表面形成的位错就无法向下推至AlGaN/AlN界面来减轻应变。最终结果，外延层中的应变能可能会变得比平衡模型预测的大得多。P型极化掺杂氮化物半导体的一个相当特殊的特征是，至少在原则上，可以通过简单地改变界面处的合金成分来创建n型或p型载流子区域。利用这一现象，高性能GaN HEMT可应用于射频和电力行业。其成功应用是建立在20世纪90年代的研究成果之上，当时的研究表明，二维电子气可以在GaN和AlGaN之间的界面处产生。这种气体未掺杂任何外在杂质，是由GaN顶部的AlGaN层沿金属极性方向生长而形成的。请注意，这与立方半导体中的情况非常不同。例如，为了在GaAs和AlGaAs的界面处产生二维电子气，必须在较宽禁带的AlGaAs外延层中引入n型杂质掺杂剂（通常是硅）。对于氮化物，在界面处产生二维电子气并不限于AlGaN和GaN的配对。当在金属极性c面衬底上生长时，只要缺陷密度不太高，这种气体就会出现在AlGaN的铝浓度升高的任何界面处。更重要的是，正如加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的研究人员早在2002年所证明的那样，即使将外延层从较低的铝组分分级到较高的铝浓度，也能产生分布式电子气，而无需外在杂质掺杂。注意，这种类型的掺杂被称为分布式极化掺杂。当在金属极性c面衬底上生长时，沿相反方向分级（即从高铝组分到低铝组分）会怎么样？预计将在不使用任何外在杂质掺杂的情况下产生分布式p型半导体。然而，尽管在外源掺杂的p型材料（通常掺杂镁）中观察到空穴浓度的增加，超过了仅外源掺杂的预期，但实验演示并没有立即进行。这项早期研究中，在没有外在掺杂的情况下形成空穴气体的障碍似乎是高密度的缺陷。这些缺陷会俘获空穴，空穴必须饱和才能观察到分布极化掺杂的效果。在此背景下，我们对首个UVC激光二极管的演示无疑是振奋人心的。为了生产该器件，我们在分布式极化掺杂p侧包覆层中实现了高空穴电导率。这里没有使用外来掺杂剂，铝组分增加到了63%。激光性能这一突破的另一个关键是假晶生长产生的穿透位错密度非常低。我们认为假晶AlGaN/AlN的开发对于在器件中实现分布式极化掺杂至关重要。需要付出的代价任何技术几乎都有其缺点。在这方面，假晶外延生长符合规范，必须在其诸多好处和需要解决的问题之间进行权衡。其中一个缺点是，假晶层的厚度可能非常高，但它仍然是有限的。虽然外延生长的人员可以修改其工艺条件并让其超出平衡模型预测的极限至少三个数量级，但即便如此，也是相当有限，特别是当某些外延层的镓浓度增加时。一般来说，一旦超过假晶极限，外延层就会变得粗糙。由于该极限取决于外延条件，因此尚未开发该极限的正式模型。这阻碍了解释外延工艺对异质结构质量的影响，也影响了与器件设计相关的考虑。而另一个限制则并不那么明显。生产器件需要蚀刻高应变外延层，这会破坏二维对称性。所有局部三维特征都没有被均匀压缩来适应底层的AlN晶格，而是在平面上具有不均匀的应变，这种不均匀性会导致局部高应力。这种高度的局部应力发生在蚀刻产生的台阶角落处。例如，图4展示了UVC激光二极管假晶层的蚀刻。在这种特殊情况下，蚀刻台阶的顶部边缘不再应变，而台阶的底角保持完全应变。这种严重的应变不均匀性肯定会引起关注，因为它会在台阶的拐角处产生非常大的剪切应力，从而导致结构侧面（在这种情况下是台阶壁）的失配位错（如图5所示）。如果这些位错到达器件的有源区域，包括高电流密度区域，则会降低器件性能。

△ 图4：在该假晶UVC激光二极管中，蚀刻台阶的顶部边缘不再应变，而台阶的底角仍然完全应变。

△ 图5：严重的应变不均匀性会在台阶的拐角处产生非常大的剪切应力，会从结构的侧面驱动形成失配位错。我们在制造激光二极管结构时观察到了蚀刻外延层的这种机械不稳定性。器件设计人员期望n接触点和p接触点尽可能靠近放置，以降低激光器的电阻。因此，必须将电阻最小化，以减少由此产生的焦耳热，因为焦耳热可能会提高激光发射所需的阈值电流。为了使n型和p型接触点尽可能靠近，我们蚀刻了垂直壁台阶，并将位于台阶顶部的p型金属化层和位于台阶底部的n型金属化层，尽可能地靠近台阶壁。不幸的是，在金属触点热退火期间，垂直台阶壁导致失配位错注入到器件结构中（如图4所示）。问题更加复杂的是，我们用于退火的高温降低了位错运动所需的Peierls应力，从而导致AlGaN发生塑性变形。从平面透射电子显微镜图像中可以看到，从台阶边缘注入的位错（见图6）在侧壁附近形成了一个有效的死区，并迫使p接触点为了避免该位错区域，从侧壁移得更远。而将p接触点移离台阶壁有利也有弊。通过降低阈值电流和延长器件寿命可提高激光器性能，但也会增加电阻率——会导致自热，阻碍室温CW操作，因为阈值电流增加得太快。

△ 图6：通过各种形式的电子显微镜可以看到从台阶边缘注入的位错。我们的解决方案是对蚀刻台阶的侧壁进行设计，以确保减少剪切应力的积累。通过引入倾斜台阶壁，我们显着降低了蚀刻结构中存在的最大剪切应力（见图5）。借助这种新架构，我们器件的退火不会引起失配位错，并且p金属可以放置得更靠近台阶边缘，从而降低激光二极管的电阻。这里的关键点是，即使在高温下，也可以通过避免超过最小剪切应力的方式设计侧壁的应力，从而避免失配位错注入。这是假晶外延结构实际应用的重大突破。其他应用领域呢？除了UVC激光二极管之外，超宽禁带半导体还有其他令人兴奋的机会，可用于解决一些社会问题。例如，此类材料可用于开发远UVC辐射的固态源，其发射波长低于235nm，这对应于超过5.3eV的光子能量。在如此短的波长下，辐射被蛋白质和其他有机分子强烈吸收，以至于无法穿透皮肤或眼睛表面，从而防止对活细胞中的DNA造成损害。而与此同时，病毒和细菌病原体没有这种保护，并且会通过相对较小的辐射暴露而被中和。因此，可以对有人存在的房间进行安全消毒。值得注意的是，远UVC辐射的气体源是可用的。然而，由于远UVC LED效率相当低且昂贵，因此有望成为一种具有吸引力的替代品，可提供更低的成本和卓越的鲁棒性。在超宽禁带半导体家族中，假晶高铝组分AlGaN/AlN系统十分具有潜力：其禁带接近6.1eV，并且可以形成具有分布式极化掺杂的p型材料。超宽禁带半导体的其他应用机会可与电网有关，电网需要不断发展以满足未来对分布式发电和存储的需求。当我们转向低碳世界时，我们将摆脱依赖化石燃料的集中式巨型发电机，继而转向许多相对小型的可再生能源发电。这些绿色替代方案通常既不是连续的也不是“按需”的，因此需要提高储能能力。到那时所需要的是一个“智能电网”，它可以处理电力调节，而不必在每个街区都建立变电站——至少不是目前使用的那种大型的、难看且脆弱的变电站。氮化铝（AlN）是可以促进实现这一目标的超宽禁带半导体之一，它有开发能够可靠地处理更高功率密度的电力控制系统的潜力，同时可以缩小体积，实现箱式变电站。实现p型和n型载流子，对于任何超宽禁带半导体来说始终都面临着挑战。但分布式极化掺杂为高功率器件设计人员提供了一种实现这一目标的新的有效途径，此外假晶生长也对此有帮助，是实现低缺陷密度，确保器件长期可靠运行的关键。显而易见的是，假晶高铝组分AlGaN/GaN的潜力巨大。

扩展阅读

J. Y. Tsao et al. “Ultrawide-Bandgap Semiconductors: Research Opportunities and Challenges” Adv. Electron.Mater. 4 1600501 (2018) Jena et al. ”Realization of wide electron slabs by polarization bulk doping in graded III–V nitride semiconductor alloys,” Appl. Phys. Lett. 81 4395 (2002) J. R. Grandusky et al. “Pseudomorphic growth of thick n-type AlxGa1-xN layers on low-defect density bulk AlN substrates for UV LED applications,” J. Crystal Growth 311 2864 (2009) M. Kushimoto et al. “Local stress control to suppress dislocation generation for pseudomorphically grown AlGaN UV-C laser diodes” Appl. Phys. Lett. 121 222101 (2022) “New Type of Ultraviolet Light Makes Indoor Air as Safe as Outdoors,” https://www.cuimc.columbia.edu/news/new-typeultraviolet-light-makes-indoor-air-safe-outdoors (2022)

来源：卡比獸papa