一周晶体前沿——宽禁带半导体

面向科技前沿，聚焦人工晶体，汇集研究新进展！

一周晶体前沿，一周一期介绍国际权威期刊近期刊发的晶体类精选论文。为方便广大读者浏览，我们已将其摘要译成中文。本期推出由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所孙晓娟研究员精心整理的关于宽禁带半导体研究前沿。

索引

1. 接近体块单晶质量的 Ⅲ 族氮化物异质外延薄膜

2. AlN 电子与光电子器件前景展望及优化制备的重要性

3. 近乎理想的 Si 掺杂 AlN 肖特基接触的制备

4. 利用六方 BN 实现晶圆级 GaN 转移及柔性 LED

5. 大规模半子晶格实现拓扑诱导手性光子发光

#1

接近体块单晶质量的 Ⅲ 族氮化物异质外延薄膜

低位错密度的 AlN 是制备高性能 AlGaN 基半导体与器件的基础。然而，由于同质 AlN 单晶衬底成本高昂，基于蓝宝石异质衬底制备 AlN 模板依然是目前的主要研究方法。但异质衬底与 AlN 之间失配度大，使得 AlN 材料中存在高密度位错。近期，北京大学沈波教授、许福军副教授研究团队提出了一种在六方图形“纳米图形化 AlN 模板”上进行 AlN 侧向外延生长的方法，实现了 AlN 侧向外延合并区晶相高度统一，有效抑制了 AlN 外延层合并过程产生的位错。通过表面化学腐蚀法对 AlN 外延层的位错密度进行测试发现，其位错密度低至 104 cm-2 量级，与 AlN 单晶衬底处于同一量级。此外，基于该 AlN 模板制备的 AlGaN 基深紫外 LED 器件的发光波长为 277 nm，在 100 mA 工作电流下的光输出功率高达 36.9 mW，表现出巨大的应用潜力。相关研究成果以“Group-Ⅲ nitride heteroepitaxial films approaching bulk-class quality”为题发表在Nature Materials上。

摘要：

Ⅲ 族氮化物宽带隙半导体是现代光电子和电子学的理想材料。由于大晶格失配衬底上异质外延薄膜质量持续提升，这些材料的应用研究已取得显著进展，但仍与体块单晶质量存在差距。本文中，研究人员提出了一种通过对柱状结构进行可控的离散化和融合来实现高质量 Ⅲ 族氮化物异质外延薄膜的方法。采用具有规则六边形孔的纳米图案化 AlN/蓝宝石模板，蓝宝石氮化预处理及解理面的有序横向生长使离散的 AlN 晶柱沿面内及面外方向都得以均一的合并，有效抑制融合过程中穿透位错的生成。AlN 异质外延膜中穿透位错蚀刻坑的密度为 3.3×104 cm−2，接近目前可获得的 AlN 体块单晶水平。该研究促进了以低成本和可扩展性为特征的 Ⅲ 族氮化物薄膜的高质量生长。

文章信息：

J. M. Wang, N. Xie, F. J. Xu, et al. Group-Ⅲ nitride heteroepitaxial films approaching bulk-class quality. Nat. Mater., 2023: 22, 853-859.

DOI: 10.1038/s41563-023-01573-6

#2

AlN 电子与光电子器件前景展望及优化制备的重要性

半导体电力电子及光电子器件的发展对更耐高压、更高光子能量、更强散热和可靠性的需求日渐彰显。AlN 具有超宽禁带（约 6.2 eV）、高击穿场强（20000 V@10 mW/cm2）以及高热导率（319 W/（m·K）），这使得其成为面向未来需求的理想半导体材料，但 AlN 具有高杂质激活能和低杂质溶解度，其掺杂具有挑战性，这进一步制约了相关器件的应用。近期，美国格鲁吉亚理工 W. Alan Doolittle 研究团队采用金属调制外延工艺（一种改进的 MBE）突破了这一瓶颈问题，该方法的低生长温度可对外延层表面化学性质进行调控，减少 AlN 中的缺陷和杂质补偿；并可在低温下利用富金属氛围来提高原子表面扩散长度（优于高温富氮条件），抑制 Si 施主中心的形成。相关研究成果以“Prospectives for AlN electronics and optoelectronics and the important role of alternative synthesis”为题发表在Applied Physics Letters上。

摘要：

新兴的低温非平衡外延掺杂技术促进了 AlN 半导体电子学和光电子学的发展。表面化学控制可以减少缺陷和杂质补偿并降低补偿空位浓度，是低温生长的关键驱动因素。与高温富氮法相比，低温富金属真空工艺具有更长的扩散长度，可抑制 Si 施主中心的形成，且不会影响晶体质量。第一性原理计算表明，价态分裂带是有助于杂质带形成的主要空穴带（与其他氮化物中的重空穴带和轻空穴带相反）。尽管 AlN 具有更深的孤立受主能级，但这种反常能带结构会导致杂质能带在类似于 GaN 的掺杂剂浓度下形成，并导致空穴迁移率远高于 GaN 中的空穴迁移率。通过该方法实现了空穴浓度为 4.4×1018 cm-3 和电阻率约为 0.045 Ω·cm 的 AlN p 型掺杂，以及电子浓度为 6×1018 cm-3 和电阻率约为 0.02 Ω·cm 的 AlN n 型掺杂，这为未来数代 AlN 双极电子和光学器件提供了巨大的前景。

文章信息：

W. A. Doolittle, C. M. Matthews, H. Ahmad, et al. Prospectives for AlN electronics and optoelectronics and the important role of alternative synthesis. Appl. Phys. Lett., 2023, 123, 172103.

DOI:10.1063/5.0156691

#3

近乎理想的 Si 掺杂 AlN 肖特基接触的制备

作为宽禁带耐高压半导体材料，AlN 在功率器件应用方面的巴利加优值是 GaN 或 SiC 等传统材料的 30 余倍。然而，基于 AlN 制备的功率器件的研究进展并不顺利，如典型的 AlN 基肖特基二极管理想因子大于 5，以及泄漏电流大、导通电阻高，导致器件性能较差的主要原因在于异质衬底外延 AlN 结晶质量差和掺杂效率低。近期，美国北卡罗莱纳州立大学 C. E. Quiñones 研究团队采用同质外延技术及高效硅掺杂实现了近乎理想的 AlN 肖特基接触，其具有与温度无关的 1.9 eV 肖特基势垒高度、创纪录的低理想因子（1.5）、低反向漏电流以及真空条件下可达 650 ℃ 的高温稳定性，以及在室温时仍可保持其整流行为。该研究展示了 AlN 基器件在极端环境下的应用潜力。相关研究成果以“Demonstration of near-ideal Schottky contacts to Si-doped AlN”为题在线发表在Applied Physics Letters上。

摘要：

本文中，近乎理想的 Si 掺杂 AlN 肖特基接触被实现，其室温下的理想因子低至 1.5，通过变温 I-V 试验可得其与温度无关的肖特基势垒高度为 1.9 eV。在串联电阻中观察到 Si 掺杂 AlN 肖特基接触具有 300 meV 的活化能，这对应于深 Si 施主态的电离能。欧姆接触和肖特基接触在高达 650 ℃ 的温度下均能保持稳定，且在此高温下还可实现约 4 个数量级的整流。该研究证明了 AlN 具有能在极端环境下运行功率器件平台的潜力。

文章信息：

C. E. Quiñones, D. Khachariya, P. Bagheri, et al. Demonstration of near-ideal Schottky contacts to Si-doped AlN. Appl. Phys. Lett., 2023, 123, 172103.

DOI: 10.1063/5.0174524

#4

利用六方 BN 实现晶圆级 GaN 转移及柔性 LED

利用二维材料作为缓冲层外延宽禁带半导体并实现可控剥离是制备柔性、可穿戴宽禁带半导体器件的关键。二维材料缓冲层可以有效减少异质衬底与外延层之间失配，且二维材料层间较弱的范德华力有助于外延层剥离。然而，在二维材料缓冲层上实现晶圆级氮化物宽禁带半导体完整剥离并进行器件制备依然存在挑战。近期，中国科学院半导体研究所魏同波研究员研究团队通过调整二维 h-BN 缓冲层的预处理方式和厚度，打破了其层间较弱的范德华力，实现了 2 英寸 GaN 基的完整剥离和转移，剥离后的柔性薄膜 LED 发光较剥离前的增强了约 66%，且具有良好的可靠性。该研究为 Ⅲ 族氮化物半导体在柔性光电器件中的进一步应用奠定了基础。相关研究成果以“Wafer-scale transferrable gan enabled by hexagonal boron nitride for flexible light-emitting diode”为题发表在Small上。

摘要：

利用二维材料层间较弱的范德华力实现高质量 Ⅲ 族氮化物外延生长和机械转移成为半导体工业的一项重要技术。本文中，研究人员通过 AlN/h-BN 复合缓冲层成功实现了低位错密度、晶片级可转移氮化镓外延层，并应用于柔性 InGaN LED 上。采用第一性原理计算得到 GaN 和 AlN 在 h-BN 上的成核、成键机理，证实了 Al 原子在 O2- 等离子体处理的 h-BN 上的吸附能和 Ga 原子的差值大于 1 eV。结果表明，引入的高温 AlN 缓冲层在晶粒快速合并过程中诱导了足够的拉伸应变来补偿异质匹配产生的压缩应变，因此 h-BN 上 Ⅲ 族氮化物的应变弛豫模型被提出。最终，通过多层 h-BN 之间的弱相互作用，实现了单晶氮化镓薄膜和 LED 的机械剥离。与转移前相比，转移后柔性独立薄膜 LED 具有约 66% 的发光增强，且具有良好的可靠性。该研究为柔性半导体器件的发展提出供一个新的途径。

文章信息：

L. L. Wang, S. Y. Yang, F. Zhou, et al. Wafer-scale transferrable gan enabled by hexagonal boron nitride for flexible light‐emitting diode. Small, 2023, 2306132.

DOI: 10.1002/smll.202306132

#5

大规模半子晶格实现拓扑诱导手性光子发光

自旋拓扑结构包括流量闭合型、涡旋、半子、斯格明子等自旋组态，可以承载大量信息,其中半子是在面内磁化的磁性薄膜中产生的拓扑保护类粒子结构，相较于其他自旋拓扑结构更易实现，因此研究人员更加关注半子及其应用。然而，半子为复杂的自旋结构，难以构建大尺度长程有序半子晶格。传统的研究主要集中在利用自旋电流和/或光来控制拓扑自旋结构，近期，厦门大学康俊勇教授、张荣教授和吴雅苹教授研究团队则对如何使用这种拓扑结构和晶格来控制光子行为展开了研究，搭建了高磁场辅助分子束外延设备，并利用该设备制备了 Pd/Fe/MgO 三层结构作为氮化物基发光二极管中的自旋注入结构，实现了在室温和零磁场下稳定的大尺度长程有序半子晶格，完成了磁性准粒子到电子再到光子的手性转移。相关研究成果以“Topology-induced chiral photon emission from a large-scale meron lattice”为题发表在Nature Electronics上。

摘要：

半子是一类在平面内磁化磁性薄膜中产生的具有拓扑保护的类粒子结构，可以作为信息载体，也可以用于磁性存储，但其应用受限于该系统尺寸、热稳定性和磁场要求等。本文中，研究人员构造了在室温和零磁场下毫米尺度的稳定半子晶格，利用分子束外延方法制备了由 GaN 外延片上的钯、铁、氮化镁（Pd/Fe/MgO）组成的一个三层结构。该半子晶格可被用于从半子到电子再到光子的手性转移，且被证明可以作为氮化基 LED 中的自旋注入器。该拓扑诱导的自旋 LED 在室温和零磁场条件下均可提供 22.5% 的圆偏振电致发光。

文章信息：

X. F. Wu, X. Li, W. Y. Kang, et al. Topology-induced chiral photon emission from a large-scale meron lattice. Nat. Electron., 2023, 6, 516-524.

DOI:10.1038/s41928-023-00990-4

编译丨孙晓娟

编辑丨丁梦梦

本期编译

孙晓娟，博士，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员。国家自然科学基金优秀青年基金、中国科学院青年创新促进会优秀会员获得者，荣获吉林省自然科学一等奖、吉林省第十七届青年科技奖、“第四届CASA第三代半导体卓越创新青年”等荣誉。担任kjw主题专家、《人工晶体学报》青年编委。主要从事AlGaN宽禁带半导体材料与器件研究，先后在美国佐治亚州立大学、日本三重大学交流访问。作为项目负责人承担国家重点研发计划项目、吉林省杰青等项目10余项，发表SCI论文80余篇，申请/授权发明专利80余项。

来源：人工晶体学报

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