当今的半导体行业和几乎所有电子产品都以硅为主。几十年来，硅一直是晶体管、计算机芯片和太阳能电池的标准元件。但所有这一切可能很快就会改变，氮化镓（GaN）将成为一种强大的、甚至更优越的替代品。虽然人们对 GaN 半导体的了解不多，但它自 20 世纪 90 年代以来就已进入电子市场，并且由于其带隙比硅相对更大，因此经常用于电力电子设备，这一点使其成为高压和高温应用的更好选择。此外，电流通过 GaN 的速度更快，从而确保开关应用期间的开关损耗更少。

然而，GaN 并非一切都是完美的。虽然半导体中通常需要杂质，但不需要的杂质通常会降低其性能。在 GaN 中，碳原子等杂质通常会导致较差的开关性能，因为电荷载流子被捕获在“深能级”中，“深能级”是由 GaN 晶体层中的杂质缺陷产生的能级，被认为源于氮位点上碳杂质的存在。

科学家发现杂质是半导体性能不佳的核心
氮化镓 (GaN) 半导体中的碳杂质会影响 GaN 晶体生长并降低其性能
图片提供：V体育的 Masashi Kato

　

深能级的一个奇怪的实验表现是，GaN 的光致发光光谱中出现了长寿命的发光黄光，并且通过时间分辨光致发光 (TR-PL) 和微波光电导衰减 (μ-PCD) 等表征技术报告了较长的载流子复合时间。然而，这种长寿的机制尚不清楚。

最近发表的一项研究，日本科学家通过观察TR-PL和μ-PCD信号如何随温度变化，探讨了深能级对黄色发光衰减时间和载流子复合的影响。 ”只有了解杂质对GaN功率半导体器件的影响，才能推动GaN晶体生长中杂质控制技术的发展，”副教授说
教授。日本V体育的 Masashi Kato 领导了这项研究。

科学家们准备了两种在 GaN 衬底上生长的 GaN 层样品，一种掺杂硅，另一种掺杂铁。碳杂质的无意掺杂是在硅掺杂过程中发生的。对于 TR-PL 测量，由于系统限制，该团队记录了高达 350°C 温度的信号，而 µ-PCD 则记录了高达 250°C 的信号。他们使用 1 纳秒长的紫外激光脉冲来激发样品，并测量 µ-PCD 样品对微波的反射。

两个样本的 TR-PL 信号均显示出较慢（衰减）的分量，衰减时间为 02-04 毫秒。此外，使用截止波长为 461 nm 的长通滤光片证实涉及黄光。在这两个样品中，对于 TR-PL 和 µ-PCD 测量，衰减时间下降到 200°C 以上，与之前的报告一致。

为了解释这些发现，科学家们采用了数值计算，结果表明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，但由于电子被深能级捕获的机会极小，因此需要很长时间才能实现。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，这解释了衰减时间的缩短。
 

提出了一种基于能带表示的分析模型来解释TR-PL和μ-PCD衰减曲线中时间常数的温度依赖性
在低温下，由于电子捕获困难，空穴被捕获在 H1 中，并且需要很长时间才能与 EC 中的电子重新结合。在高温下，空穴逃逸至 EV 并通过复合通道与电子复合。
图片提供：V体育的 Masashi Kato

　

"为了减少慢衰变成分的影响，我们必须保持低碳浓度或采用抑制空穴注入的器件结构，”助理说。加藤教授。

有了这些见解，科学家们弄清楚如何避免这些陷阱也许只是时间问题。但随着 GaN 在电力领域的崛起，它会成为更好的电子产品吗？

副教授。加藤教授却不这么认为。 ”GaN 可以降低电子设备的功率损耗，从而节省能源。我认为它可以在减轻温室效应和气候变化方面发挥很大作用，”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！

参考

原始论文标题	碳源空穴陷阱对减缓同质外延n型GaN层中光致发光和光电导率衰减的贡献
期刊	应用物理学杂志
DOI

关于同事 教授加藤正史

博士。加藤正史 (Masashi Kato) 于 1998 年毕业于V体育电气与计算机工程专业，随后在那里获得了同一领域的硕士（2000 年）和博士学位（2003 年）。他目前是半导体物理学副教授，在其职业生涯中发表了 70 多篇论文。他的专业领域和研究兴趣在于电子/电气材料和器件相关化学，近二十年来他一直是日本应用物理学会的会员。欲了解更多信息，请访问：

资金信息

这项研究由文部科学省“研究和开发下一代半导体以实现节能社会”计划资助，资助号为 JPJ005357。

联系方式

加藤正史副教授
电子邮件：katomasashi[at]nitechacjp
+81-52-735-5581
链接：

＊联系时请将[at]替换为@。