北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室許福軍、沈波團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新發(fā)展了一種“可控離散和可控聚合”的外延方法,在氮化物寬禁帶半導(dǎo)體大失配異質(zhì)外延研究上取得突破性進(jìn)展。相關(guān)成果2023年6月22日以“接近襯底級(jí)晶體質(zhì)量的III族氮化物異質(zhì)外延薄膜”（Group-III nitride heteroepitaxial films approaching bulk-class quality）為題在線發(fā)表于《自然·材料》（Nature Materials）上。

氮化物寬禁帶半導(dǎo)體在光電子、射頻電子和功率電子等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值，是國(guó)際上高度關(guān)注的高科技研究方向和競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。高質(zhì)量外延薄膜及其量子結(jié)構(gòu)的制備是氮化物半導(dǎo)體研究和產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)和核心環(huán)節(jié)。迄今藍(lán)寶石等異質(zhì)襯底上的大失配外延依然是氮化物半導(dǎo)體制備的主流方法，由此導(dǎo)致的高缺陷密度嚴(yán)重制約著材料物性和芯片性能的提升。

近年來，基于圖形化襯底的側(cè)向外延方法對(duì)于提高氮化物半導(dǎo)體的晶體質(zhì)量顯示出巨大潛力。以納米圖形化藍(lán)寶石襯底上氮化鋁（AlN）外延為例，通過匹配圖形的周期、占空比及生長(zhǎng)條件，可將AlN外延層位錯(cuò)密度降低至~10⁸cm^-2量級(jí)，然而進(jìn)一步降低缺陷密度卻十分困難，嚴(yán)重制約著AlN基深紫外光電器件、高功率密度電子器件性能的提升。北大團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)寶石晶體具有三方對(duì)稱性（），與AlN的六方對(duì)稱性（）不同，導(dǎo)致AlN外延過程中存在晶體對(duì)稱性演變過渡層，極大地增加了原子錯(cuò)排幾率，是AlN外延層位錯(cuò)密度難以進(jìn)一步降低的主要原因。

針對(duì)上述難題，北大團(tuán)隊(duì)提出了一種新的可控離散和聚合外延思路，通過采用六方孔洞“納米圖形化AlN模板”（nano-patterned AlN/sapphire template，NPAT），成功實(shí)現(xiàn)了AlN側(cè)向外延方向的精細(xì)調(diào)控，有效抑制了外延合攏過程中因原子錯(cuò)排產(chǎn)生的位錯(cuò)?；谠摲椒ㄖ苽涞乃{(lán)寶石襯底上AlN外延層位錯(cuò)腐蝕坑密度被大幅降低至~10⁴cm^-2量級(jí)，接近目前AlN單晶襯底的晶體質(zhì)量。將該AlN模板襯底運(yùn)用到發(fā)光波長(zhǎng)277 nm的深紫外發(fā)光二極管器件研制中，100 mA下光輸出功率達(dá)到36.9 mW，相比常規(guī)圖形化藍(lán)寶石襯底上的器件性能大幅提升，顯示了巨大的應(yīng)用潛力。

北京大學(xué)物理學(xué)院博士后王嘉銘和博士生解楠為該論文共同第一作者，許福軍副教授和沈波教授為共同通訊作者。該工作得到了甘子釗院士和葛惟昆教授等的指導(dǎo)和幫助，北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究中心的康香寧、秦志新、楊學(xué)林、唐寧、王新強(qiáng)老師和部分同學(xué)亦對(duì)該工作做出了貢獻(xiàn)。

該研究工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市科委、北京順義區(qū)科技項(xiàng)目及相關(guān)合作企業(yè)的大力支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01573-6

圖a：六方孔洞結(jié)構(gòu)NPAT的SEM圖像，圖b：NPAT上AlN側(cè)向外延精細(xì)調(diào)控示意圖，圖c：NPAT上AlN側(cè)向外延降低位錯(cuò)密度的原理示意圖，圖d：NPAT上AlN外延層腐蝕坑的SEM圖像，圖e：基于NPAT上AlN襯底的深紫外發(fā)光二極管光輸出功率隨注入電流的變化曲線及與常規(guī)圖形化藍(lán)寶石襯底上器件性能的對(duì)比。

（來源：北京大學(xué)物理學(xué)院）