名古屋理工大学 氮化镓半导体中的碳杂质影响氮化镓晶体的生长并降低其性能
学分:名古屋理工大学的加藤正史 今天，半导体工业和几乎所有的电子产品都是由硅主导的
几十年来，在晶体管、计算机芯片和太阳能电池中，硅一直是标准组件
但是随着氮化镓成为一种强有力的，甚至更好的替代品，这一切可能很快就会改变
虽然不太为人所知，但氮化镓半导体自20世纪90年代以来就出现在电子市场上，并经常被用于电力电子器件，因为它们的硼和硅的间隙相对较大，这使得它成为高压和高温应用的更好候选材料
此外，电流通过氮化镓的速度更快，从而确保开关应用中的开关损耗更少
然而，并不是氮化镓的所有方面都是完美的
虽然半导体中通常需要杂质，但不需要的杂质通常会降低它们的性能
在氮化镓中，由于电荷载流子被俘获在“深能级”中，如碳原子等杂质通常导致较差的开关性能，深能级是由氮化镓晶体层中的杂质缺陷产生的能级，被认为是由氮位置上的碳杂质的存在引起的
深能级的一个奇怪的实验现象是在氮化镓的光致发光光谱中出现了长寿命的黄色发光，并通过时间分辨光致发光(TR-PL)和微波光电导衰减(μ-PCD)等表征技术报道了长电荷载流子复合时间
然而，这种长寿背后的机制尚不清楚
在最近发表在《应用物理学杂志》上的一项研究中，日本科学家通过观察TR-PL和μ-PCD信号随温度的变化，探索了深能级对黄色发光衰减时间和载流子复合的影响
“只有了解了氮化镓功率半导体器件中杂质的影响，我们才能推动氮化镓晶体生长中杂质控制技术的发展，”教授说
领导这项研究的日本名古屋理工大学的加藤正史
科学家们准备了两个生长在氮化镓衬底上的氮化镓层样本，一个掺杂硅，另一个掺杂铁
碳杂质的无意掺杂发生在硅掺杂过程中
对于TR-PL测量，该团队记录了高达350℃的温度信号，而由于系统限制，μ-PCD记录了高达250℃的温度信号
他们使用了1纳秒长的紫外激光脉冲来激发样品，并测量了样品对微波的反射
在低温下，空穴被捕获在H1，由于电子捕获困难，需要很长时间才能与电子复合
在高温下，空穴逃逸到电子伏，并通过复合通道与电子复合
学分:名古屋理工大学的加藤正史 两个样品的TR-PL信号显示出衰减时间为0的较慢(衰减)成分
2-0
4毫秒
此外，使用截止波长为461纳米的长通滤波器证实了其中包含黄光
在两个样品中，以及在TR-PL和μ-PCD测量中，衰变时间下降到200℃以上，与以前的报告一致
为了解释这些发现，科学家们采用了数值计算的方法，这种方法揭示了深能级本质上捕获了“空穴”(没有电子)，这些空穴最终与自由电子重新结合，但由于深能级捕获电子的几率极小，所以需要很长时间才能完成
然而，在高温下，空穴设法逃离陷阱，并通过更快的复合通道与电子复合，这解释了衰变时间的下降
“为了减少慢衰变成分的影响，我们必须要么保持低碳浓度，要么采用抑制空穴注入的器件结构，”教授表示
加藤
有了这些见解，科学家们想出如何避免这些陷阱也许只是时间问题
但是随着GaN的崛起，会不会只是更好的电子？ 教授
加藤不这么认为
氮化镓可以降低电子设备的功率损耗，从而节约能源
我认为这对于减轻温室效应和气候变化大有帮助，”他乐观地总结道
这些关于杂质的发现可能会引领我们走向更清洁、更绿色的未来！
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