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AlPN有望带来更好的GaN HEMT和GaN VCSEL

AlPN外延层的生长有望带来更好的HEMT和VCSEL


名古屋大学与日本可持续发展材料系统研究所进行合作,并在生长AlPN第一外延层上有所突破。这种与GaN晶格匹配的三元体系有望改善GaN HEMT和VCSEL的性能。


晶格匹配的AlPN可以通过引入非常高的极化,导致沟道中的高载流子浓度来实现HEMT。在早期的实验结果中,未经优化的样品产生的薄层电阻仅为150±50Ω/平方,令人鼓舞。


对于GaN VCSELs来说,AlPN可能会改变游戏规则,简化和改善反射镜的制造。


GaN和AlInN提供了唯一一对可用于生长镜面的氮化物。由于三个方面的缺陷,使用这对组合生长反射镜需要12个小时或更长时间:需要超晶格层数多;三元生长速度缓慢;GaN和AlIN之间需要温度梯度,必须使用低于3℃的温度偏差来生长。


以上问题归咎于生长包含两个GaN基反射镜的VCSEL的时间过长。相反,器件倾向于将一个GaN基反射镜与另一个电介质制成的反射镜结合起来。


名古屋大学的Markus Pristovsek是研发这种新型合金的团队发言人,他表示,改用AlPN和GaN制成的镜面有望将生长时间缩短至2-3小时。时间大幅减少的原因在于三元化合物的生长速度更快和镜面层数的减少,这要归功于两种氮化物之间更大的折射率差异。


三元氮化物的开发历史悠久,1996年至2005年期间,主要针对AlPN的表亲GaPN进行研究。在那几年中,研究人员发现,当磷含量超过3-4%时,由于键长短尺寸小,磷原子会进入镓位点。添加铝可以解决此问题。上图显示了提高叔丁基膦的流量是如何增加磷氮比并降低AlPN层裂纹密度的。


1999年,松下公司申请了AlPN和AlGaPN的专利。Pristovsek指出:"但从未发表过任何文章和刊物。"他推测,要么是发表失败,要么是申请专利只是为了扩大知识产权组合。


Pristovsek于2012年开始积极研究AlPN。“在柏林工业大学首次尝试申请专利失败,因为他们认为AlPN完全没有商业价值,专利也无法赚钱。”


转到剑桥大学后,Pristovsek获得了AlPN的研究资金。但当时有人订购了一种可以提供磷源的叔丁基膦(tBP)起泡器,由于膦是有毒的,因此许多实验室都禁止使用。这时,名古屋大学为Pristovsek提供了教授职位。


Pristovsek在2016年接受了这个职位,他花费了一些时间为他的实验找到一个未充分利用的反应器,并将金属有机管线转换为tBP。最初的外延晶片充满裂缝,但是调高tBP流量可以解决这个问题。


Pristovsek和同事转而用X射线衍射来研究在蓝宝石基GaN模板上生长的,厚度为60 nm的AlPN层晶体结构。测量仅产生于来自GaN、蓝宝石和应变AlP0.103N0.897的反射,表明三元是纯纤锌矿AlPN。根据这种合金的衍射峰位置,为了确保晶格匹配,该三元组成必须为AlP0.106N0.894。


对AlPN厚度为180nm、315nm和665nm的样品进行椭圆测量,结果表明,当晶格与GaN匹配时,这种三元的折射率约为1.95至2.05。厚度为655nm样品的法布里-珀罗振荡,表明这种合金的带隙约为5.5eV。


该团队的下一个目标是开发具有AlPN层的GaN HEMT。


参考文献

'Wurtzite AlPyN1-y: a new III-V compound semiconductor lattice-matched to GaN (0001)' by M. Pristovsek et al; Appl. Phys. Express 13 111001 (2020)


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