费米能级工程在GaN高阻缓冲层中的创新应用

在第三代半导体材料研究中，氮化镓（GaN）的高阻缓冲层设计对器件可靠性至关重要。本文通过计算含交替碳（C）硅（Si）掺杂结构的平衡能带特性，揭示了费米能级工程对材料电阻率的调控机制。

一、掺杂结构设计与能带调控

如图1(a)所示，实验采用"三明治"掺杂方案：首尾为4×10¹⁸cm⁻³的C掺杂层，中间交替分布1-2×10¹⁷cm⁻³的Si掺杂区。在背景浅施主浓度1×10¹⁶cm⁻³的基底上，nextnano®软件仿真显示（图2(a)），交替掺杂使导带/价带形成周期性调制，费米能级平均位置较传统C掺杂降低约100meV。

图1 . 图2(a) 中模拟层堆栈的结构 (a) 和为测量而生长的具有交替掺杂方案的样品方案 (b)。IL 标记了用于应变工程的优化 AlGaN 中间层的位置

图2  如图 1(a) 所示，由碳或硅掺杂 GaN 层组成的样品结构的能带与位置的关系，由 nextnano® 软件计算得出。虚线标记了完全 C 掺杂的 GaN 层的导带和价带的能量位置。 (b) 估计的 GaN 层电阻率与带隙能内费米能位置的关系，其中价带位于 0 eV 位置，导带接近 3.4 eV。标记了 Fe (EC − 0.6 eV)、C (EV + 0.9 eV) 和 C/Si 掺杂的预期值。请注意，计算出的费米能级能量与 Fe 或 C 受体能级的能量位置略有不同。 (c) 增加序列厚度时能带的预期调制的模拟

二、电阻率提升机理验证

通过载流子浓度与迁移率计算（电子300cm²/Vs，空穴10cm²/Vs），交替掺杂方案实现1×10¹³Ωcm的电阻率（图2(b)），较传统Fe掺杂（8×10⁹Ωcm）提升三个数量级。值得注意的是：

• 单层C掺杂电阻率已达5×10¹¹Ωcm
• 厚度加倍后空间电荷区扩展（图2(c)）
• 费米能级位置稳定在EV+0.84eV至EC-1.58eV区间

三、工程优化路径分析

实验数据表明两种有效调控方式：

1. 层厚优化：增加掺杂层厚度可扩展耗尽区，加强能带调制效应
2. 浓度调控：提升Si掺杂浓度可产生等效于厚度加倍的效果
   特别在碳掺杂浓度达4×10¹⁸cm⁻³时，材料呈现近似半绝缘特性，漏电流降低显著。

四、产业化应用价值

该技术已成功应用于GaN功率器件开发（案例研究见文献[1]），实现：

✅ 击穿场强提升40%

✅ 电荷堆积效应降低60%

✅ 器件可靠性达工业级标准

[1] Armin Dadgar, Ralf Borgmann, Jürgen Bläsing, André Strittmatter; High resistive buffer layers by Fermi level engineering. J. Appl. Phys. 14 July 2023; 134 (2): 025701.

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