High current density ultrawide-bandgap AlGaN pn diodes with dopant-free distributed polarization-doped junction regions

材料科学 电致发光 光电子学 二极管 杂质 兴奋剂 扩散 电流密度 分子束外延 宽禁带半导体 发光二极管 重组 载流子产生和复合 p-n结 自发辐射 产量(工程) 波长 电流(流体) 载流子寿命 电子束感应电流 载流子密度 耗尽区 半导体 扩散电流 分子束 半导体器件 砷化镓 无辐射复合 PIN二极管 凝聚态物理
作者
Shivali Agrawal,Debaditya Bhattacharya,Naomi A. Pieczulewski,Hsin-Wei Huang,Madhav Ramesh,Vladimir V Protasenko,David Anthony Muller,Huili Grace Xing,Debdeep Jena
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:140 (15)
标识
DOI:10.1063/5.0344413
摘要

We report high-current-density AlGaN pn diodes grown on bulk AlN substrates by molecular beam epitaxy. AlGaN layers with linearly graded Al composition between 70% and 95% are utilized for both n- and p-type regions. The dopant-free pn junction depletion region is accessed by impurity doped n- and p-contact layers. The diodes exhibit a low specific on-resistance of 0.14 mΩ cm2 and achieve current densities, J exceeding 20 kA/cm2 at 10 V, representing one of the lowest resistances reported for high Al-content AlGaN pn diodes. Capacitance–voltage measurements yield a built-in potential of 5.5 V and carrier concentrations of the order of 1018 cm−3 without impurity doping. Enabled by the low ideality factor ηmin = 1.64 of the diodes, analytical models for diffusion and Shockley–Read–Hall recombination current density could be fitted to the experimental J–V. Electroluminescence measurements reveal deep-ultraviolet emission with a peak wavelength of 240 nm, highlighting radiative recombination within high Al-content layers. These results demonstrate the potential of fully polarization-doped AlGaN pn junctions for high-power and high-frequency ultrawide-bandgap electronic and optoelectronic devices.
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