进展 | 纯n型III族氮化物半导体异质结构实现p-n结整流特性

E03 中科院物理所

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。

为解释上述整流特性，项目组结合热电子发射理论对样品的I-V关系进行了理论拟合，计算了带有InGaN量子阱插入层的异质结样品在不同偏压下的能带结构（如图2（a）），样品的理论曲线与实验 I-V 关系拟合的很好。在反向偏压的情况下，外场方向与 InGaN 量子阱之中的极化场方向相反，这在一定程度上削弱了 InGaN/GaN 界面势垒，压制了 GaN spacer 的能带的抬高，外加电压有一部分要落在 InGaN 量子阱相关区域（V3）,落在 GaN 电子耗尽区的电压降V1的减少以及耗尽区势垒V-=VB-∣V1∣的增加，异质结系统中的反向热发射电流被压制，导致反向开启电压变大。在正向偏压的情况下，外场方向与 AlGaN 势垒层中极化场方向相反，降低了AlGaN 势垒的高度，同时 InGaN/GaN 界面势垒较薄，电子可以隧穿方式通过，正向电流主要是被 AlGaN势垒限制，正向热发射电流大小为，主要取决于 A+与 V+，InGaN 量子阱的插入提高了 AlGaN/GaN 界面电子沟道对电子的限制作用，大大提高了 A+（约 1.81 mA），因而正向开启电压降低。