宽禁带半导体掺杂机制研究进展邓惠雄1,2*,魏苏淮3,李树深1,21.中国科学院半导体研究所,超晶格国家重点实验室,北京100083;2.中国科学院大学材料科学与光电工程中心,北京100049;3.北京计算科学研究中心,北京100193*联系人,E-mail:hxdeng@semi.ac.cn2022-09-05收稿,2022-11-09修回,2022-11-11接受,2022-11-15网络版发表国家自然科学基金(61922077,11874347,11991060,12088101,U1930402)资助摘要随着电子信息技术进入后摩尔时代,人们期望探寻一些新材料、新技术以推进半导体科学技术的发展.作为新一代战略电子材料,宽禁带半导体的技术应用近年来取得了飞速发展.宽禁带半导体的掺杂与缺陷调控是实现其重要应用价值的关键科学基础.本文主要介绍了我们和合作者近期围绕碳化物、氧化物、氮化物宽禁带半导体中掺杂与缺陷机理及性能调控展开的研究工作,具体包括:(1)探究4H-SiC中本征缺陷的电学和动力学性质,解释了实验上4H-SiC的有效氢钝化现象的内在物理机制;(2)研究In2O3中过渡金属元素的掺杂物理性质,提出了过渡金属掺杂的设计原则,并预测过渡金属Zr、Hf和Ta在In2O3中具有优异的n型特性;(3)采用轻合金化法调控Ga2O3材料的价带顶位置,并通过选取合适的受主杂质(如CuGa),有望使(BixGa1–x)2O3合金成为高效的p型掺杂宽禁带半导体;(4)研究Be和Mg在GaN中的缺陷行为,澄清Be掺杂比Mg掺杂具有更深受主能级的物理机制;(5)提出量子工程非平衡掺杂方法来调制AlGaN的价带,实现其高效p型掺杂;(6)探究缺陷掺杂行为随应力变化的普适性规律,并阐述如何通过压力调控在GaN中实现更高性能的p型掺杂.这些工作不仅加深了对宽禁带半导体材料的电子结构及掺杂与缺陷物理特性的理解,也对基于宽禁带半导体材料的器件设计与实际应用起到重要的指导和推进作用.关键词宽禁带半导体,第一性原理计算,缺陷,掺杂机制,非平衡过程相对于以硅(Si)和砷化镓(GaAs)为代表的第一代和第二代半导体,宽(超宽)禁带半导体材料如金刚石、SiC、Ga2O3、In2O3、ZnO、GaN、AlN等,由于具有禁带宽度大、功率高、载流子迁移率高、饱和电子速度快、耐高温高压、开关频率高等优异特性,因而在半导体照明、紫外探测器、大功率激光器、透明平板显示和高功率晶体管等光电子与电力电子设备中获得了广泛应用[1~4].在这些应用中,掺杂与缺陷调控是关键,因其显著影响着宽禁带半导体的电学、光学等性质.中村修二、天野浩和赤崎勇三人正是解决了GaN中p型掺杂问题[5,6],才研制出高效的蓝光LED而获得2014年诺贝尔物理学奖.因此,...
