半導體產業網獲悉：近期，中國科學院半導體研究所照明研發中心與中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室、美國北卡大學、北京大學量子材料科學中心、福州大學物理與信息工程學院科研團隊合作，在氮化物材料生長界面生長過程研究上取得新進展。
該研究成果以“MOCVD方法在藍寶石襯底上生長的AlN材料自發極性反轉原子機理（Atomic-Scale Mechanism of Spontaneous Polarity Inversion in AlN on Nonpolar Sapphire Substrate Grown by MOCVD ）”為題，于2022年2月10日在線發表于Small期刊（DOI: 10.1002/smll.202200057），并被選為期刊封面，編輯推薦入選“Hot Topic: Surfacesand Interfaces”。中科院半導體所劉志強研究員為本文第一作者，北京大學高鵬教授、中科院半導體所楊身園副研究員，北卡大學張勇教授，中科院半導體所劉志強研究員為本文共同通訊作者。
研究團隊表示，氮化物半導體材料是半導體照明、全彩顯示、電力電子等器件的核心基礎材料，在其已經實現大規模產業化應用的今天，氮化物材料生長界面研究仍具有重要的科學意義，日久彌新。同時，“界面即器件”，界面是器件設計的基礎，同時也是材料生長控制的核心。上個世紀80年代，日本科學家首次實現了氮化物材料外延，然而30余年時間里，生長界面仍存在大量學術爭議，傳統“由表面推測界面”的研究方法常常引起錯誤的認知，例如：1、異質界面的精確原子構型仍不清晰；2、由于缺乏反演對稱性，原則上講，非極性襯底（c面藍寶石）上MOCVD外延的氮化物，金屬極性（Al極性、Ga極性）或N極性均可以出現，但是氮化物（MOCVD生長）的表面呈現高度一致的金屬極性，迄今氮化物的極性選擇機制尚未明確，氮化物極性是否繼承于生長界面，并維持恒定？3、氮化物材料極高的位錯密度是否僅僅源自界面晶格失配和熱失配？
該項成果為解決上述學術爭議提供了直接證據，澄清了氮化物生長初始界面晶格堆疊次序上的認知混淆。
該項成果為解決上述學術爭議提供了直接證據，澄清了氮化物生長初始界面晶格堆疊次序上的認知混淆。
圖1. 氮化物生長界面自發極化翻轉
研究團隊發現，通過MOCVD在藍寶石上生長的氮化物材料，晶格排布并不是直接繼承于氮化物/藍寶石界面，而是在生長過程中經歷了自發的極性反轉。初始生長階段，氮化物傾向于呈現氮極性，而不是此前被廣泛接受的金屬極性。在表面能的各向異性的驅動下，極性逐步轉變為金屬極性，伴隨著大量極性翻轉晶界的形成，對后續生長產生重要影響。
圖2. AlN外延層極性表征結果。a) AlN/藍寶石界面的HAADF-STEM圖像。氮化物呈N極性；b)靠近AlN頂層表面的HAADF-STEM圖像，氮化物呈Al極性；c) KOH腐蝕AlN表面的形貌，六邊形的V形坑表明表面呈金屬極性。
研究團隊通過第一性原理計算，揭示了藍寶石襯底表面氮化的最穩定原子構型及界面生長前端（圖3）。隨后，通過原子級界面表征確認了襯底氮化及后續生長的原子構型，發現襯底表面的由高/低位Al引起的周期性起伏，會導致氮化物c面原子間距經歷從拉伸狀態逐漸變化至正常的生長模式的轉換（圖4）。結合密度泛函理論，研究人員建立了界面氮化及緩沖層生長的原子級堆疊過程：N原子與低位Al原子成鍵→高位Al填充→Al原子與N原子成鍵→鋸齒狀zigzag結構形成。證實了該原子沉積過渡區是三斜體系到六方體系的轉變區域。
圖3. 藍寶石襯底表面并入原子的第一性原理計算。a) 藍寶石原子排列和堆疊順序；b) 構型1，氮原子以氮極性排列與低位鋁成鍵；c) 構型2，氮原子以鋁極性排列與低位鋁成鍵；d) 鋁原子占據高位鋁原子位點；e) 氮原子與低位鋁原子成鍵；f) 氮化前后藍寶石表面C1s XPS光譜。g) Al2p XPS光譜的光譜表明Al-N鍵的形成。
離開異質界面后，氮化物晶格將通過極性翻轉晶界（IDBs），自發的實現從N極性向金屬極性的翻轉。通過積分差分相位襯度掃描透射電鏡技術（iDPC -STEM），研究團隊指認了極性翻轉晶疇具有八重配位和四重配位結構（圖4）。同時，自發極性反轉傾向于發生在(10-10)面，而不是通常認為的(0001)面。此外，由于IDBs晶格對稱性的打破，IDBs區域將形成沿c軸的二維電子氣（2DEG），該導電通道有可能是氮化物電子器件高壓擊穿的一個潛在原因。
圖4. AlN/藍寶石界面原子結構。a) AlN/藍寶石界面處的HAADF-STEM圖像。界面上出現了原子步長和周期性的鋸齒狀結構，顯示出失配位錯陣列；b) AlN/藍寶石界面IFFT圖像。插圖是圖a)的FFT結果；c) 界面處AlN的c面晶格間距的定量測量結果，由于藍寶石中Al原子的晶格失配和特殊的原子配位，導致第1層Al-N層原子間距最大，從而導致平面內晶格的收縮。氮化物/藍寶石界面的原子級生長過程示意：d) 原始藍寶石表面的原子構型，低鋁位被占據；e) 氮化過程中氮原子與低位Al成鍵；f) 高位Al位點的占據；g) 在AlN/藍寶石界面形成的氮化物生長前端；h) 生長逐漸演變為正常氮化物生長模式。
圖5. IDBs原子排列的STEM截面圖。a) IDB原子分辨iDPC圖像，極性反轉發生在(10-10)面并呈階梯狀；極性反轉區域兩側b) Al-polar和c) N-polar AlN晶格iDPC圖像；d) IDB區域的iDPC圖像及疊加的原子模型，在邊界處出現了八重鍵和四重鍵；e) IDBs區域下側的iDPC圖像，表明Al極區和N極區重疊。f) IDBs區域沿[10-10]方向的平面平均靜電勢(藍色)和總電荷密度(紅色)分布；g) IDBs處的電荷差分密度分布圖。黃色表示電子聚集，青色表示電子耗盡，在極反轉界面可以觀察到一個明顯的電子耗竭，因此，產生了帶正電荷的二維空間區域。
圖6. 界面晶格畸變定量分析。
該工作回答了氮化物MOCVD“異質界面構型和原子級沉積過程”這一科學問題；闡明了氮化物晶格極性選擇和演進機制；證實了除晶格失配和熱失配之外，自然存在的IDBs是氮化物高位錯密度的另一重要起因；該工作將為新型極性異質結體系的發展提供理論指導，同時為提高氮化物外延材料的質量、優化大功率及高頻器件的擊穿特性提供全新的思路和優化方向。
并且，該項研究工作受到了國家自然科學基金委、科技部國家重點研發計劃資助項目、中科院半導體所青年人才項目的經費支持。
來源：中科院半導體所
