大失配、強極化第三代半導體材料體系生長動力學和載流子調控規律

王新強， 黎大兵， 劉 斌， 孫 錢， 張進成

(1. 北京大學物理學院 人工微結構和介觀物理國家重點實驗室, 北京 100871;2. 發光學及應用國家重點實驗室 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所, 吉林 長春 130033;3. 南京大學電子科學與工程學院 江蘇省光電信息功能材料重點實驗室， 江蘇 南京 210093;4. 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所 納米器件與應用重點實驗室, 江蘇 蘇州 215123;5. 西安電子科技大學微電子學院 寬帶隙半導體技術國防重點學科實驗室, 陜西 西安 710071)

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大失配、強極化第三代半導體材料體系生長動力學和載流子調控規律

王新強1*， 黎大兵2， 劉 斌3， 孫 錢4， 張進成5

(1. 北京大學物理學院 人工微結構和介觀物理國家重點實驗室, 北京 100871;2. 發光學及應用國家重點實驗室 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所, 吉林 長春 130033;3. 南京大學電子科學與工程學院 江蘇省光電信息功能材料重點實驗室， 江蘇 南京 210093;4. 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所 納米器件與應用重點實驗室, 江蘇 蘇州 215123;5. 西安電子科技大學微電子學院 寬帶隙半導體技術國防重點學科實驗室, 陜西 西安 710071)

高質量氮化鎵(GaN)材料是發展第三代半導體光電子與微電子器件的根基。大失配、強極化和非平衡態生長是GaN基材料及其量子結構的固有特點，對其生長動力學和載流子調控規律的研究具有重要的科學意義與實用價值，受到各國科學界與產業界廣泛高度重視。本文對大失配、強極化氮化物半導體材料體系外延生長動力學和載流子調控規律進行了研究，旨在攻克藍光發光效率限制瓶頸，突破高Al和高In氮化物材料制備難題，實現高發光效率量子阱和高遷移率異質結構，制備多波段、高效率發光器件和高頻率、高耐壓電子器件，實現顛覆性的技術創新和應用，帶動電子材料產業轉型升級。

氮化鎵； 大失配； 強極化； 生長動力學； 載流子調控

1 引 言

以氮化物半導體材料為核心的第三代半導體材料，是繼第一代半導體硅(Si)材料、第二代半導體砷化鎵(GaAs)材料之后的新一代半導體材料。它們在半導體照明、新型顯示、節能型電力電子等方面具有極其重要的應用。而高質量材料是發展第三代半導體光電子與微電子器件的根基。大失配、強極化和非平衡態生長是第三代半導體及其量子結構的固有特點，其研究具有重要的科學意義與實用價值，受到各國科學界與產業界廣泛高度重視。美、日、韓及歐洲一些國家通過制定一系列國家計劃，整合高校及研究機構、企業及相關政府部門的創新資源，建立國家級創新中心、產業聯盟，以圖全力搶占先進電子材料技術戰略制高點，引領全球市場。

正是在這一背景下，面向國家的重大需求和國際研究前沿， “大失配、強極化第三代半導體材料體系生長動力學和載流子調控規律” 項目獲科技部戰略性先進電子材料專項立項。以Ⅲ族氮化物為代表的第三代半導體材料被公認是當前國際光電信息技術領域的戰略制高點，是實現高性能光電子和微電子器件的基礎，各國均投入大量人力物力進行相關研發。

2 國內外研究進展

在GaN材料和光電子器件研究方面，3位日裔科學家在利用緩沖層技術大幅度提高晶體質量的基礎上，實現了GaN的p型摻雜，制備出高亮度藍光LED，引發了照明技術的革命，因而獲得2014年度諾貝爾物理學獎[1-4]。國內在GaN領域的研究主要包括北京大學、中科院長春光學精密機械與物理研究所、南京大學、中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所、西安電子科技大學，中科院半導體所、清華大學、廈門大學、南昌大學、中科院微電子所、吉林大學、中山大學、中科院上海技術物理研究所、中國電子科技集團公司第十三研究所、廣州有色金屬研究院等單位。

當前國內外的研究重點是進一步提高量子效率，降低大注入下的量子效率衰減(Efficiency droop效應)。隨著材料生長相關難題的不斷攻克，目前藍光波段量子阱結構的內量子效率達到85%～87%，國內外水平相當[5-6]。南昌大學外延的515 nm綠光量子阱結構的內量子效率達到45.2%，處于國際先進水平[7]，如圖1所示。

在藍光LED研究取得重大進展的基礎上，為滿足更寬波段的應用需求，氮化物半導體材料研究趨勢向高Al、高In方向拓展。由于In—N鍵能低，N的飽和蒸氣壓高，導致生長溫度較低；同時Al—N的鍵能高，表面遷移能力弱，要求生長溫度高，因此高In、高Al組分氮化物具有較高的缺陷密度。這也是InGaN和AlGaN材料質量提升和量子結構發光、探測效率提升的關鍵所在。在InN外延方面，國內外處于同樣水平，北京大學報道了室溫電子遷移率為3 280 cm2/(V·s)的InN薄膜，迄今仍是國際上的最好結果之一，圖2為他們制備的InN薄膜的遷移率隨厚度(a)及溫度(b)的變化曲線[8]。

Fig.2 InN mobility dependence on thickness(a) and temperature(b)[8]

在高Al組分Al(Ga)N及其低維量子結構研究領域，美國和日本一直處于領跑地位[9]。日本名城大學將AlN模板位錯密度降到4×107cm-2，是目前公開報道的最好水平；日本理化研究所實現了內量子效率高達60%的AlGaN基量子阱結構。我國在該領域也取得了較大的進展，中國科學院半導體研究所通過外延橫向過生長(ELOG)技術在藍寶石納米圖形襯底(NPSS)上進行高溫MOCVD多段外延生長，AlN 模板表面達到原子級平整度, (002)和(102)XRD 搖擺曲線FWHM 分別達到69.4 arcsec和319 arcsec，位錯密度降低到108cm-2量級，AlN模板上外延的283 nm的AlGaN基量子阱實現內量子效率達到43%(圖3)[10]。圖4為藍寶石納米圖形化襯底的制備流程。

在GaN基異質結構和微電子器件領域，進展同樣迅速。在小失配SiC襯底上AlGaN/GaN異質結構二維電子氣(2DEG)的遷移率達到2 100 cm2/(V·s)，如圖5所示；28 V工作的GaN微波器件和耐壓600 V以下的GaN電力電子器件也已初步實現工程化應用[11-14]。圖6所示為InAlN/GaN功率放大器的主頻率[11]， 圖7為HEMT器件關態擊穿電壓隨C濃度的變化[12]。

圖4 (a)藍寶石納米圖形化襯底的制備流程圖；(b)光刻膠圖形；(c)腐蝕圖形[10]。

Fig.4 (a) Schematic diagram of fabricating NPSS.(b) SEM of patterned photoresist. (c) SEM of wet-etched NPSS[10].

低成本、大失配Si襯底上GaN的位錯密度高，2DEG遷移率低，高質量外延技術尚待突破。因此，調控應力、抑制缺陷，解決外延生長難題，實現低缺陷密度、高遷移率的異質結構，制備耐壓達600～1 200 V、可靠壽命超百萬小時的電子器件成為當前該領域的研究熱點。

圖5 AlGaN/GaN二維電子氣(2DEG)的遷移率和方塊電阻[13]Fig.5 Mobility and sheet resistance of AlGaN/GaN 2DEG[13]

Fig.7 Off-state breakdown voltage of HEMT device varying with carbon concentration[12]

3 結果與討論

盡管以Ⅲ族氮化物為代表的第三代半導體研究取得了突破性的進展，仍然存在諸多問題亟待解決。本課題組開展氮化物半導體大失配低維量子結構材料的外延生長動力學規律、應力/缺陷控制規律、異質結構和量子阱中載流子輸運/復合/躍遷及其調控規律的研究，旨在提出新結構和新方法，創造獨立自主知識產權，為進一步推動高性能氮化物半導體器件的科學研究、加快產業化進程提供技術支撐，實現我國第三代半導體材料在基礎研究和前沿技術上的突破，掌握國際競爭主導權。通過研究，解決非平衡條件下AlN/高Al組分AlGaN、InN/高In組分InGaN及其量子結構的外延生長動力學、缺陷形成機理和調控規律，強極化氮化物復合量子結構中載流子運動規律、高效發光和光提取機制及其調控方法，大失配異質結構中載流子輸運性質、雜質/缺陷的局域態特性與電子器件擊穿和動態特性的關聯規律，大注入、強電場條件下GaN基發光器件與電子器件特性退化機理與可靠性提升技術等關鍵科學問題。基于“中間攻關、兩邊突破”的思路，攻克藍光發光效率限制瓶頸，突破高Al和高In氮化物材料制備難題，實現高發光效率量子阱和高遷移率異質結構。重點研究非平衡條件下AlGaN基量子結構的外延生長和深紫外發光規律，GaN基超高效率復合量子結構的制備和耦合誘導藍光發光機制，大失配、弱分凝InGaN外延生長和高發光效率綠光量子阱，大失配襯底上GaN基異質結構中應力與缺陷調控及多物理場下的載流子輸運性質，基于極化誘導能帶工程的GaN基電子器件新結構、新工藝和可靠性等。

通過合作研究和協同攻關，系統掌握氮化物半導體大失配低維量子結構材料的外延生長動力學規律、應力/缺陷控制規律、異質結構和量子阱中載流子輸運/復合/躍遷及其調控規律，為 GaN 基發光器件、電力電子器件、射頻電子器件的研制提供材料基礎、科學指導和解決方案。GaN 基異質結構、藍光量子阱材料質量大幅提升，高 Al 和高 In 組分氮化物半導體紫外、綠光量子結構材料質量實現突破，進入國際先進水平。培育和凝聚一支具有國際水平的研究隊伍，為戰略性電子材料專項方向——“第三代半導體材料與半導體照明”的其他任務奠定理論和技術基礎，有助于實現顛覆性的技術創新和應用，實現第三代半導體在國際上的技術優勢，帶動我國的電子材料產業轉型升級，提升國家在節能環保、信息技術等領域的研發水平，支撐“中國制造2025”、“互聯網+”等國家重大戰略目標。

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王新強(1975-)，男，江蘇贛榆人，博士，教授，2002年于吉林大學獲得博士學位，主要從事寬禁帶氮化物半導體的外延生長和物性的研究。

E-mail: wangshi@pku.edu.cn

Growth Dynamics and Carrier Control of The Third Generation Semiconductor with Large Mismatch and Strong Polarization

WANG Xin-qiang1*, LI Da-bing2, LIU Bin3, SUN Qian4, ZHANG Jin-cheng5

(1.StateKeyLaboratoryofArtificialMicrostructureandMesoscopicPhysics,SchoolofPhysics,PekingUniversity,Beijing100871,China;2.StateKeyLaboratoryofLuminescenceandApplications，ChangchunInstituteofOptics，FineMechanicsandPhysics，ChineseAcademyofSciences，Changchun130033，China;3.JiangsuProvincialKeyLaboratoryofPhotonicandElectronicMaterialsScienceandTechnology,SchoolofElectronicScienceandEngineering,NangjingUniversity,Nanjing210093,China;4.KeyLaboratoryofNanodevicesandApplications,SuzhouInstituteofNano-TechandNano-Bionics,ChineseAcademyofSciences,Suzhou215123,China;5.SchoolofMicroelectronics,XidianUniversity,KeyLaboratoryofFundamentalScienceforNationalDefenseonWideBandgapSemiconductorTechnology,Xi’an710071,China)

High quality GaN-based material system is the basis of developing the third generation semiconductor optoelectronic and microelectronic devices. The GaN-based materials and quantum structures have the properties of large mismatch, strong polarization, and nonequilibrium growth. The research on growth dynamics and carrier control of GaN-based material has important research significance and practical value, and is attracting the attention of scientific and industrial communities. In this paper, the growth dynamics and carrier control of GaN-based material with large mismatch and strong polarization is investigated, in order to get over the bottle-neck of low emitting efficiency of blue light, break through the difficulty of fabricating GaN-based material with high Al- and high In-composition, and achieve high mobility of heterostructure material and high quantum efficiency of optoelectronic devices. By the fabrication of emitting devices with high-efficiency multi-wavelength and electronic devices with high-frequency high-breakdown, the technology innovation, industrial transformation and upgrade can be realized.

GaN; large mismatch; strong polarization; growth dynamics; carrier control

2016-09-05；

2016-09-27

國家重點研發計劃(2016YFB0400100)資助項目

1000-7032(2016)11-1305-05

O469； O552.6

A

10.3788/fgxb20163711.1305

*CorrespondingAuthor,E-mail:wangshi@pku.edu.cn