半導(dǎo)體所等在氮化物外延方法及新型器件研究中取得系列進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員劉志強(qiáng)等與北京大學(xué)、北京石墨烯研究院等單位合作，在氮化物外延及熱電能源器件領(lǐng)域取得系列研究進(jìn)展，驗(yàn)證了氮化物異質(zhì)異構(gòu)單晶外延的可行性，提出了氮化物位錯(cuò)控制新思路，拓展了氮化物在高溫?zé)犭婎I(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)成果分別以Continuous Single-Crystalline GaN Film Grown on WS2-Glass Wafer、Atomic Mechanism of Strain Alleviation and Dislocation Reduction in Highly Mismatched Remote Heteroepitaxy Using a Graphene Interlayer、Graphene-Assisted Epitaxy of High-Quality GaN Films on GaN Templates、High Power Efficiency Nitrides Thermoelectric Device為題，在線發(fā)表在Small、Nano Letters、Advanced Optical Materials、Nano Energy上。
 

　　實(shí)現(xiàn)不依賴于襯底晶格的氮化物材料外延，有望突破襯底限制，融合寬禁帶半導(dǎo)體材料與其他半導(dǎo)體材料的性能優(yōu)勢(shì)，為器件設(shè)計(jì)提供新的自由度。研究團(tuán)隊(duì)于2021年利用石墨烯二維晶體作為緩沖層，借助納米柱等底層微納結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了非晶襯底上的氮化物準(zhǔn)單晶薄膜的異質(zhì)異構(gòu)外延。近期，研究團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域取得進(jìn)展，利用與氮化物晶格匹配的過(guò)渡金屬硫化物為緩沖層，構(gòu)筑人工生長(zhǎng)界面，實(shí)現(xiàn)了非晶玻璃晶圓上的單晶薄膜制備，并實(shí)現(xiàn)了紫外發(fā)光器件的制備。該項(xiàng)工作以非晶襯底這一極端情況，驗(yàn)證了氮化物異質(zhì)異構(gòu)單晶外延的可行性。
 

　　刃位錯(cuò)是氮化物材料中的代表性缺陷類(lèi)型，與另外一種典型缺陷——螺位錯(cuò)相比，通常情況下其濃度要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。刃位錯(cuò)對(duì)氮化物發(fā)光、電子器件的性能均會(huì)產(chǎn)生重要影響。由于氮化物與異質(zhì)襯底之間固有的晶格失配，刃位錯(cuò)的有效抑制手段非常有限。近期，研究團(tuán)隊(duì)采用遠(yuǎn)程外延，實(shí)現(xiàn)了氮化物外延層中刃位錯(cuò)的有效降低，在原子尺度上研究了應(yīng)力釋放和位錯(cuò)密度降低的物理機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)無(wú)極性的石墨烯緩沖層可以削弱源于襯底的晶格勢(shì)場(chǎng)，使得外延層能夠在晶體取向得到控制的同時(shí)，其晶格也能相對(duì)自由地生長(zhǎng)。因此，異質(zhì)外延中晶格失配引起的應(yīng)力得到了釋放，外延層刃位錯(cuò)密度降低近一個(gè)數(shù)量級(jí)。在這種低應(yīng)力的GaN模板上，研究人員成功制備了高In組份的InGaN/GaN量子阱，實(shí)現(xiàn)了黃光波段LED器件。
 

　　氮化物材料由于生長(zhǎng)方法的限制具有高密度的穿透位錯(cuò)，這些穿透位錯(cuò)會(huì)充當(dāng)非輻射復(fù)合中心和漏電通道，對(duì)氮化物基光電器件和電力電子器件的性能有嚴(yán)重的負(fù)面影響。近期，研究團(tuán)隊(duì)采用二維材料石墨烯輔助外延的方法，實(shí)現(xiàn)了低應(yīng)力、低位錯(cuò)密度的高質(zhì)量GaN薄膜的外延生長(zhǎng)，并揭示了石墨烯在界面處降低外延層中穿透位錯(cuò)密度的機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯可以部分屏蔽襯底勢(shì)場(chǎng)，襯底勢(shì)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)界面晶格調(diào)控的同時(shí)，其表面勢(shì)場(chǎng)波動(dòng)一定程度被削弱。因此外延層可以通過(guò)原子滑移釋放部分應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的自發(fā)馳豫。引入石墨烯二維晶體后，GaN模板中因穿透位錯(cuò)導(dǎo)致的晶格畸變?cè)谕庋咏缑娴靡曰謴?fù)，表現(xiàn)為石墨烯在界面處阻擋了穿透位錯(cuò)向上的擴(kuò)散，因此獲得了比相同襯底同質(zhì)外延位錯(cuò)密度更低的GaN薄膜。
 

　　能源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展永恒的主題，工業(yè)生產(chǎn)中消耗化石燃料產(chǎn)生能量的約70%以廢熱的形式被排放。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠可逆地將廢熱轉(zhuǎn)換成電能，在提高能源利用效率和回收廢棄能源方面具有重要的意義。與此同時(shí)，熱電器件在太空等極端環(huán)境下具有重要的應(yīng)用，熱電發(fā)電機(jī)是旅行者2號(hào)的唯一能量來(lái)源，目前已經(jīng)連續(xù)工作40余年。然而，傳統(tǒng)的窄禁帶半導(dǎo)體材料存在高溫下少數(shù)載流子激發(fā)導(dǎo)致的溫差電動(dòng)勢(shì)抑制效應(yīng)，工作溫度較低。以GaN為代表的III族氮化物具有較大的禁帶寬度、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、高的抗輻射強(qiáng)度，同時(shí)易實(shí)現(xiàn)可控調(diào)制的合金和異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，在高溫?zé)犭姺矫嬲宫F(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。由于決定熱電性能的塞貝克系數(shù)S、電導(dǎo)率σ、熱導(dǎo)率k之間相互耦合和制約的關(guān)系，合理設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)、采取最優(yōu)化方案提高ZT值，一直是熱電研究的重要課題。研究團(tuán)隊(duì)探索了合金化和低維超晶格結(jié)構(gòu)對(duì)載流子和聲子輸運(yùn)的調(diào)控作用，實(shí)現(xiàn)了電子、聲子輸運(yùn)的有效解耦，成功制備了熱電器件。ZT值優(yōu)于同類(lèi)器件的文獻(xiàn)報(bào)道。該工作拓展了III族氮化物在熱電方面的應(yīng)用，提供了一種非常有前途的高溫?zé)犭娖骷鉀Q方案。
 

圖1 WS2-玻璃晶圓上單晶GaN薄膜的生長(zhǎng)
 

　　圖2 WS2-玻璃晶圓上的AlxGa1-xN成核及單晶GaN薄膜生長(zhǎng)。(a) 低溫AlxGa1-xN成核后WS2的拉曼光譜；(b) 拉曼測(cè)試點(diǎn)的示意圖；(c) 成核生長(zhǎng)后AlxGa1-xN/WS2/玻璃界面的HADDF圖像；(d) AlxGa1-xN/WS2/玻璃界面的HADDF圖像及對(duì)應(yīng)的Ga、O、S和W元素的EDS面掃圖像；(e) 薄膜生長(zhǎng)后AlxGa1-xN/WS2/玻璃界面的高分辨TEM圖像；(f) 薄膜生長(zhǎng)后AlxGa1-xN/WS2/玻璃界面的HADDF圖像；(g) 界面附近GaN的iDPC圖像
 

　　圖3 基于石墨烯的遠(yuǎn)程異質(zhì)外延與傳統(tǒng)異質(zhì)外延的界面對(duì)比。(a) AlGaN/藍(lán)寶石界面的原子結(jié)構(gòu)和GPA exx圖像；(b) AlGaN/石墨烯/藍(lán)寶石界面的原子結(jié)構(gòu)和GPA exx圖像；(c) 有無(wú)石墨烯時(shí)界面處氮化物與藍(lán)寶石襯底的面內(nèi)晶格失配對(duì)比；(d) 有無(wú)石墨烯時(shí)界面處氮化物與藍(lán)寶石襯底的面外晶格失配對(duì)比；(e) 無(wú)石墨烯時(shí)氮化物在藍(lán)寶石臺(tái)階上的原子排列；(f) 有石墨烯時(shí)氮化物在藍(lán)寶石臺(tái)階上的原子排列；(g) 無(wú)石墨烯時(shí)靠近臺(tái)階處沿面外方向的氮化物原子偏移；(h) 有石墨烯時(shí)靠近臺(tái)階處沿面外方向的氮化物原子偏移；(i) 界面附近兩個(gè)原子層面外方向原子偏移的線輪廓
 

　　圖4 石墨烯輔助外延中的應(yīng)力馳豫和位錯(cuò)演化機(jī)制。石墨烯輔助外延生長(zhǎng)和直接外延生長(zhǎng)的GaN薄膜的(a) XRD搖擺曲線對(duì)比，(b) 刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)密度對(duì)比，(c) 應(yīng)力對(duì)比；GaN/石墨烯/GaN界面處的(d) 暗場(chǎng)像圖像，(e) GPA exx圖像；(f) 石墨烯在界面處阻擋穿透位錯(cuò)向上擴(kuò)散的示意圖；(g) 空白GaN表面的電勢(shì)場(chǎng)波動(dòng)；(h) 石墨烯/GaN復(fù)合襯底表面的電勢(shì)場(chǎng)波動(dòng)；(i) 空白GaN表面和石墨烯/GaN復(fù)合襯底表面沿特定方向的電勢(shì)波動(dòng)對(duì)比
 

　　圖5 氮化物器件的熱電性能。(a) 塞貝克測(cè)量裝置示意圖；(b) 不同溫度梯度下的紅外熱成像圖；(c) 開(kāi)路電壓隨溫差時(shí)間變化曲線；(d) 塞貝克系數(shù)擬合曲線