大失配、強(qiáng)極化第三代半導(dǎo)體材料體系生長動(dòng)力學(xué)和載流子調(diào)控規(guī)律

王新強(qiáng)， 黎大兵， 劉 斌， 孫 錢， 張進(jìn)成

(1. 北京大學(xué)物理學(xué)院 人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100871;2. 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 吉林 長春 130033;3. 南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇省光電信息功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210093;4. 中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所 納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 蘇州 215123;5. 西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院 寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710071)

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大失配、強(qiáng)極化第三代半導(dǎo)體材料體系生長動(dòng)力學(xué)和載流子調(diào)控規(guī)律

王新強(qiáng)1*， 黎大兵2， 劉 斌3， 孫 錢4， 張進(jìn)成5

(1. 北京大學(xué)物理學(xué)院 人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100871;2. 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 吉林 長春 130033;3. 南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇省光電信息功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210093;4. 中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所 納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 蘇州 215123;5. 西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院 寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710071)

高質(zhì)量氮化鎵(GaN)材料是發(fā)展第三代半導(dǎo)體光電子與微電子器件的根基。大失配、強(qiáng)極化和非平衡態(tài)生長是GaN基材料及其量子結(jié)構(gòu)的固有特點(diǎn)，對(duì)其生長動(dòng)力學(xué)和載流子調(diào)控規(guī)律的研究具有重要的科學(xué)意義與實(shí)用價(jià)值，受到各國科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界廣泛高度重視。本文對(duì)大失配、強(qiáng)極化氮化物半導(dǎo)體材料體系外延生長動(dòng)力學(xué)和載流子調(diào)控規(guī)律進(jìn)行了研究，旨在攻克藍(lán)光發(fā)光效率限制瓶頸，突破高Al和高In氮化物材料制備難題，實(shí)現(xiàn)高發(fā)光效率量子阱和高遷移率異質(zhì)結(jié)構(gòu)，制備多波段、高效率發(fā)光器件和高頻率、高耐壓電子器件，實(shí)現(xiàn)顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，帶動(dòng)電子材料產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

氮化鎵； 大失配； 強(qiáng)極化； 生長動(dòng)力學(xué)； 載流子調(diào)控

1 引 言

以氮化物半導(dǎo)體材料為核心的第三代半導(dǎo)體材料，是繼第一代半導(dǎo)體硅(Si)材料、第二代半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)材料之后的新一代半導(dǎo)體材料。它們在半導(dǎo)體照明、新型顯示、節(jié)能型電力電子等方面具有極其重要的應(yīng)用。而高質(zhì)量材料是發(fā)展第三代半導(dǎo)體光電子與微電子器件的根基。大失配、強(qiáng)極化和非平衡態(tài)生長是第三代半導(dǎo)體及其量子結(jié)構(gòu)的固有特點(diǎn)，其研究具有重要的科學(xué)意義與實(shí)用價(jià)值，受到各國科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)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(jì)劃，整合高校及研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)及相關(guān)政府部門的創(chuàng)新資源，建立國家級(jí)創(chuàng)新中心、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，以圖全力搶占先進(jìn)電子材料技術(shù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)，引領(lǐng)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(qiáng)極化第三代半導(dǎo)體材料體系生長動(dòng)力學(xué)和載流子調(diào)控規(guī)律” 項(xiàng)目獲科技部戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料專項(xiàng)立項(xiàng)。以Ⅲ族氮化物為代表的第三代半導(dǎo)體材料被公認(rèn)是當(dāng)前國際光電信息技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)高性能光電子和微電子器件的基礎(chǔ)，各國均投入大量人力物力進(jìn)行相關(guān)研發(fā)。

2 國內(nèi)外研究進(jìn)展

在GaN材料和光電子器件研究方面，3位日裔科學(xué)家在利用緩沖層技術(shù)大幅度提高晶體質(zhì)量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了GaN的p型摻雜，制備出高亮度藍(lán)光LED，引發(fā)了照明技術(shù)的革命，因而獲得2014年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[1-4]。國內(nèi)在GaN領(lǐng)域的研究主要包括北京大學(xué)、中科院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、南京大學(xué)、中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、西安電子科技大學(xué)，中科院半導(dǎo)體所、清華大學(xué)、廈門大學(xué)、南昌大學(xué)、中科院微電子所、吉林大學(xué)、中山大學(xué)、中科院上海技術(shù)物理研究所、中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所、廣州有色金屬研究院等單位。

當(dāng)前國內(nèi)外的研究重點(diǎn)是進(jìn)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(yīng))。隨著材料生長相關(guān)難題的不斷攻克，目前藍(lán)光波段量子阱結(jié)構(gòu)的內(nèi)量子效率達(dá)到85%～87%，國內(nèi)外水平相當(dāng)[5-6]。南昌大學(xué)外延的515 nm綠光量子阱結(jié)構(gòu)的內(nèi)量子效率達(dá)到45.2%，處于國際先進(jìn)水平[7]，如圖1所示。

在藍(lán)光LED研究取得重大進(jìn)展的基礎(chǔ)上，為滿足更寬波段的應(yīng)用需求，氮化物半導(dǎo)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(dǎo)致生長溫度較低；同時(shí)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(zhì)量提升和量子結(jié)構(gòu)發(fā)光、探測效率提升的關(guān)鍵所在。在InN外延方面，國內(nèi)外處于同樣水平，北京大學(xué)報(bào)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(jié)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(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域，美國和日本一直處于領(lǐng)跑地位[9]。日本名城大學(xué)將AlN模板位錯(cuò)密度降到4×107cm-2，是目前公開報(bào)道的最好水平；日本理化研究所實(shí)現(xiàn)了內(nèi)量子效率高達(dá)60%的AlGaN基量子阱結(jié)構(gòu)。我國在該領(lǐng)域也取得了較大的進(jìn)展，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所通過外延橫向過生長(ELOG)技術(shù)在藍(lán)寶石納米圖形襯底(NPSS)上進(jìn)行高溫MOCVD多段外延生長，AlN 模板表面達(dá)到原子級(jí)平整度, (002)和(102)XRD 搖擺曲線FWHM 分別達(dá)到69.4 arcsec和319 arcsec，位錯(cuò)密度降低到108cm-2量級(jí)，AlN模板上外延的283 nm的AlGaN基量子阱實(shí)現(xiàn)內(nèi)量子效率達(dá)到43%(圖3)[10]。圖4為藍(lán)寶石納米圖形化襯底的制備流程。

在GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)和微電子器件領(lǐng)域，進(jìn)展同樣迅速。在小失配SiC襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣(2DEG)的遷移率達(dá)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(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)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(guān)態(tài)擊穿電壓隨C濃度的變化[12]。

圖4 (a)藍(lán)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(cuò)密度高，2DEG遷移率低，高質(zhì)量外延技術(shù)尚待突破。因此，調(diào)控應(yīng)力、抑制缺陷，解決外延生長難題，實(shí)現(xiàn)低缺陷密度、高遷移率的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，制備耐壓達(dá)600～1 200 V、可靠壽命超百萬小時(shí)的電子器件成為當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

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(jié)果與討論

盡管以Ⅲ族氮化物為代表的第三代半導(dǎo)體研究取得了突破性的進(jìn)展，仍然存在諸多問題亟待解決。本課題組開展氮化物半導(dǎo)體大失配低維量子結(jié)構(gòu)材料的外延生長動(dòng)力學(xué)規(guī)律、應(yīng)力/缺陷控制規(guī)律、異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱中載流子輸運(yùn)/復(fù)合/躍遷及其調(diào)控規(guī)律的研究，旨在提出新結(jié)構(gòu)和新方法，創(chuàng)造獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為進(jìn)一步推動(dòng)高性能氮化物半導(dǎo)體器件的科學(xué)研究、加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提供技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)我國第三代半導(dǎo)體材料在基礎(chǔ)研究和前沿技術(shù)上的突破，掌握國際競爭主導(dǎo)權(quán)。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(jié)構(gòu)的外延生長動(dòng)力學(xué)、缺陷形成機(jī)理和調(diào)控規(guī)律，強(qiáng)極化氮化物復(fù)合量子結(jié)構(gòu)中載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律、高效發(fā)光和光提取機(jī)制及其調(diào)控方法，大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)中載流子輸運(yùn)性質(zhì)、雜質(zhì)/缺陷的局域態(tài)特性與電子器件擊穿和動(dòng)態(tài)特性的關(guān)聯(lián)規(guī)律，大注入、強(qiáng)電場條件下GaN基發(fā)光器件與電子器件特性退化機(jī)理與可靠性提升技術(shù)等關(guān)鍵科學(xué)問題?；凇爸虚g攻關(guān)、兩邊突破”的思路，攻克藍(lán)光發(fā)光效率限制瓶頸，突破高Al和高In氮化物材料制備難題，實(shí)現(xiàn)高發(fā)光效率量子阱和高遷移率異質(zhì)結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)研究非平衡條件下AlGaN基量子結(jié)構(gòu)的外延生長和深紫外發(fā)光規(guī)律，GaN基超高效率復(fù)合量子結(jié)構(gòu)的制備和耦合誘導(dǎo)藍(lán)光發(fā)光機(jī)制，大失配、弱分凝InGaN外延生長和高發(fā)光效率綠光量子阱，大失配襯底上GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力與缺陷調(diào)控及多物理場下的載流子輸運(yùn)性質(zhì)，基于極化誘導(dǎo)能帶工程的GaN基電子器件新結(jié)構(gòu)、新工藝和可靠性等。

通過合作研究和協(xié)同攻關(guān)，系統(tǒng)掌握氮化物半導(dǎo)體大失配低維量子結(jié)構(gòu)材料的外延生長動(dòng)力學(xué)規(guī)律、應(yīng)力/缺陷控制規(guī)律、異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱中載流子輸運(yùn)/復(fù)合/躍遷及其調(diào)控規(guī)律，為 GaN 基發(fā)光器件、電力電子器件、射頻電子器件的研制提供材料基礎(chǔ)、科學(xué)指導(dǎo)和解決方案。GaN 基異質(zhì)結(jié)構(gòu)、藍(lán)光量子阱材料質(zhì)量大幅提升，高 Al 和高 In 組分氮化物半導(dǎo)體紫外、綠光量子結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量實(shí)現(xiàn)突破，進(jìn)入國際先進(jìn)水平。培育和凝聚一支具有國際水平的研究隊(duì)伍，為戰(zhàn)略性電子材料專項(xiàng)方向——“第三代半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體照明”的其他任務(wù)奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)，有助于實(shí)現(xiàn)顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)第三代半導(dǎo)體在國際上的技術(shù)優(yōu)勢，帶動(dòng)我國的電子材料產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升國家在節(jié)能環(huán)保、信息技術(shù)等領(lǐng)域的研發(fā)水平，支撐“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等國家重大戰(zhàn)略目標(biāo)。

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王新強(qiáng)(1975-)，男，江蘇贛榆人，博士，教授，2002年于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事寬禁帶氮化物半導(dǎo)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，F(xiàn)ineMechanicsandPhysics，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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0400100)資助項(xiàng)目

1000-7032(2016)11-1305-05

O469； O552.6

A

10.3788/fgxb20163711.1305

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