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为解决高 Al 含量 AlGaN 合金因 Si DX 中心形成导致的 n 型掺杂难题，研究人员开展 Si 掺杂剂两性行为与局域环境关系研究。发现其行为由 Ga/Al 原子短程有序控制，为实现更高 Al 含量甚至 AlN 的高效 n 型掺杂提供新路径。
深紫外（UV）光源在杀菌消毒、水质净化等领域具有重要应用价值，尤其是波长≤240 nm 的深紫外光发射器件，可有效抑制传染病并保障饮用水安全。富铝 AlGaN 合金因具有宽禁带特性，成为制备此类光源的理想材料，但其铝含量超过～80% 时，传统 Si 施主掺杂会形成负性 Si DX 中心，导致 n 型掺杂效率大幅下降，甚至出现补偿效应，这严重制约了高功率、高效率深紫外器件的发展。因此，揭示 Si 掺杂剂在富铝 AlGaN 中的行为机制，突破高效掺杂瓶颈，成为该领域亟待解决的关键科学问题。
来自芬兰赫尔辛基大学、德国柏林工业大学等机构的研究人员，针对富铝 AlGaN 中 Si 掺杂的复杂性，开展了深入的实验与理论研究。他们通过金属有机气相外延（MOVPE）技术生长了一系列 Al0.90Ga0.10N 外延薄膜，系统调控 Si 掺杂浓度（1×1018 cm-3至 2×1019 cm-3），结合正电子湮没谱（PAS）、X 射线吸收近边结构谱（XANES）等先进表征手段，以及电子结构计算，阐明了 Si 掺杂剂两性行为的微观机制。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为富铝氮化物半导体的掺杂调控提供了新的理论依据和技术路径。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，通过 MOVPE 在蓝宝石衬底上外延生长 AlGaN 薄膜，利用外延横向过生长（ELO）技术制备高质量 AlN 缓冲层，确保样品的晶体质量；其次，运用正电子湮没谱分析缺陷浓度及类型，通过 S 和 W 参数的变化追踪阳离子空位（VII）和负电荷缺陷的演化；再者，利用 XANES 技术研究 Si 原子的局域环境变化，通过特征谱峰的位置和强度差异，判别 Si 周围是 GaN 型还是 AlN 型环境；最后，结合密度泛函理论（DFT）计算，构建不同 Ga 原子分布的超胞模型，分析 Si 的形成能及电子结构，揭示局域有序对其电荷状态的影响。
高 Al 含量 AlGaN 的 Si 掺杂特性
研究发现，随着 Si 浓度增加，样品电阻率先降低后升高，呈现明显的阈值行为。当 Si 浓度低于阈值时，其作为施主有效提升载流子浓度，电阻率下降；超过阈值后，补偿效应增强，电阻率上升。这与传统 III-V 半导体中 DX 中心形成的阈值行为类似，但在富铝 AlGaN 中，该阈值与 Si 周围的 Ga 原子局域有序密切相关。
正电子湮没谱分析缺陷演化
正电子湮没谱显示，低 Si 浓度时，阳离子空位（VII）浓度随 Si 增加而升高，但其浓度比 Si 低一个数量级，不足以解释电补偿。高 Si 浓度时，负电荷型缺陷（非开放体积缺陷）浓度与 Si 相当，且其局域环境呈现 AlN 型特征，表明 Si 在此环境下发生施主 - 受主转变，形成负电中心。
XANES 揭示 Si 局域环境变化
XANES 谱图显示，低 Si 浓度时，Si 周围呈现 GaN 型环境（特征峰与 GaN 中 Si 类似），高 Si 浓度时则转变为 AlN 型环境（特征峰与 AlN 中 Si 一致）。通过与模拟谱图对比，确认了 Si 从 Ga 富集区向 Al 富集区的迁移，其局域环境的转变直接决定了电荷状态。
电子结构计算阐明有序驱动机制
理论计算表明，Si 在 Ga 富集区的形成能更低，倾向于占据 Ga 原子作为次近邻（SNN）的位点，此时其施主能级靠近导带底，保持施主特性；当 Ga 富集位点饱和后，Si 被迫进入 Al 富集区，形成能升高，施主 - 受主转变能级靠近价带，导致负电中心形成。计算还发现，Ga 原子的短程有序（如簇状分布）可显著降低 Si 的形成能，增强其施主稳定性。
研究结论表明，Si 在富铝 AlGaN 中的两性行为本质上由局域 Ga/Al 原子的短程有序控制，而非传统认为的平均成分阈值。当 Si 周围存在足够 Ga 原子时，其保持施主特性；高 Si 浓度下，局域 Al 富集环境导致 Si 转变为受主，引发补偿效应。这一发现打破了传统对 DX 中心形成机制的认知，揭示了短程有序在掺杂调控中的关键作用。
讨论部分指出，通过调控 Ga 原子的空间有序（如引入 Ga 簇或超晶格结构），可增加 Si 在 Ga 富集区的占据概率，即使在高 Al 含量（包括 AlN）中也能实现高效 n 型掺杂。这为设计新型掺杂策略提供了方向，例如通过共掺杂促进 Ga 原子 clustering，或利用数字超晶格结构将 Si 引入 Ga 富集层。此外，该研究还为理解其他 III 族氮化物（如 β-(Al,Ga)?O?）中的掺杂行为提供了参考，拓展了短程有序在宽禁带半导体中的应用前景。
该研究不仅深化了对富铝氮化物中杂质行为的微观理解，更提供了突破掺杂瓶颈的切实路径，有望推动深紫外光源、高功率电子器件等领域的技术革新，为解决全球公共卫生（如病毒消杀）和能源效率问题提供关键技术支撑。
