超宽禁带氮化物由于其可调谐直接带隙、高击穿场强、优异的化学和热稳定性，在高效深紫外照明和探测、高频和大功率电子器件等领域具备极大的应用潜力。通过掺杂来调节半导体材料的导电特性，实现n型或p型导电，对于光电子或微电子器件的应用至关重要。然而，目前超宽禁带氮化物的p型掺杂效率普遍低下，成为其实现高性能器件的主要障碍。影响掺杂的主要因素有三个：（1）深掺杂能级导致的高激活能；（2）高形成焓导致掺杂剂的溶解度低；（3）自补偿效应严重。随着材料生长技术的迅速发展，低溶解度和自补偿问题得到了很大的改善。然而，高激活能问题是由宿主材料和掺杂剂的自身物理性质决定的，如何降低激活能仍然是重大挑战。
针对高受主激活能制约超宽禁带氮化物p型掺杂效率的问题，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所黎大兵研究员团队和中国科学院半导体研究所邓惠雄研究员合作报道了一种通过量子工程非平衡掺杂调控价带顶能级位置，使得受主激活能大幅度降低，从而实现高效率p型超宽禁带氮化物材料的方法，为解决宽禁带半导体掺杂问题提供了新思路。相关结果以《超宽禁带氮化物的量子工程非平衡高效p型掺杂》（Quantum engineering of non-equilibrium efficient p-doping in ultra-wide band-gap nitrides）为题发表在国际顶尖学术期刊《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）。
黎大兵研究员团队和邓惠雄研究员提出在AlGaN材料体系中引入GaN量子结构，并将掺杂剂集中掺杂在GaN局域量子结构附近的基质材料中，形成非平衡材料体系，促使系统价带顶上移，并保证掺杂剂有效释放空穴至价带顶，从而实现了高Al组分AlGaN受主掺杂激活能降低，如图1（a）-（c）所示。首先，在理论上构建了量子工程非平衡掺杂模型，发现在AlN材料中引入GaN量子点能够有效调控整个体系的价带顶位置，并且价带顶能级呈现上升趋势。同时，利用金属有机化学气相沉积生长AlGaN：GaN量子点结构，通过发展“周期调制间断外延”的非平衡生长方法来实现AlGaN：GaN量子点非平衡掺杂系统。结果发现该掺杂系统Mg受主激活能均小于50 meV，相比体材料均匀掺杂方式的激活能降低了近一个数量级，空穴浓度均达到1018 cm-3量级，基于量子工程非平衡掺杂方法的深紫外LED性能得到显著提升，如图1（d）所示。该掺杂方法也为其它宽禁带半导体材料的掺杂问题提供了新的解决思路，有望对超宽禁带半导体产业的发展产生推动作用。
研究工作主要由蒋科特别研究助理完成，黎大兵研究员和邓惠雄研究员是共同通讯作者。该项工作得到了国家****基金、自然科学基金委优秀青年基金、中国科学院青年创新促进会优秀会员基金等项目的资助。

图1. Mg受主均匀掺杂在（a）AlN和（c）GaN中均表现出高激活能。（c）当将GaN量子结构引入AlN中，并将掺杂剂掺杂于AlN基质中、富集在量子结构周围时，体系的价带顶将由GaN量子结构决定，基质中的受主杂质可释放空穴。（d）基于量子工程掺杂方法p-AlGaN制备的深紫外LED（Device A），其开启电压显著低于直接均匀掺杂p-AlGaN制备的深紫外LED（Device B）。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-021-00503-y