33、氮化物半导体器件的带隙工程：从基础到高性能器件

氮化物半导体器件的带隙工程：从基础到高性能器件

在半导体器件的发展历程中，III - 氮化物半导体材料凭借其独特的物理特性，在发光器件和高电子迁移率晶体管（HEMT）等领域展现出了巨大的应用潜力。本文将深入探讨III - 氮化物半导体器件的带隙工程，包括低缺陷衬底的应用、发光器件的内量子效率（IQE）控制以及HEMT的性能优化等方面。

低缺陷衬底在III - 氮化物半导体外延中的应用

目前，用于III - 氮化物半导体材料外延的低缺陷衬底备受关注。在蓝宝石或碳化硅（SiC）衬底上生长氮化镓（GaN）时，通过各种降低穿透位错密度（TDD）的方法，已将TDD降低至约10⁶ - 10⁷ cm⁻²。这一数值虽然足以使发光异质结构的IQE不受TDD影响，但对于高功率发光二极管（LED）和激光二极管（LD）而言，仍无法避免器件性能的退化。

为了进一步降低TDD，可以采用从块状GaN和氮化铝（AlN）晶体切割出的原生衬底。这些原生衬底不仅能有效降低TDD，还能方便地选择生长表面的取向，从而实现异质结构的极性控制。

影响可见LED内量子效率的主导因素

通过建模研究发现，控制可见LED的IQE的主导因素中，TDD和工作温度最为关键。在铟镓氮（InGaN）有源区，由于成分波动捕获载流子导致的载流子离域化，以及在高电流密度下二极管的自热效应，是导致LED效率随电流下降的常见原因。

低缺陷衬底为无铟LED的设计提供了新的思路。基于使用厚有源区的概念，这类LED不仅制造更简单，而且在电流变化时，发射光谱和效率的稳定性可能更好。然而，这种LED的IQE主要受TDD和有源层载流子泄漏的影响。为了有效抑制载流子泄漏，需要合理设计发射层，不仅要考虑发