半導(dǎo)體所照明研發(fā)中心劉志強研究員與半導(dǎo)體所半導(dǎo)體超晶格國家重點實驗室、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)域取得系列研究進展，驗證了氮化物異質(zhì)異構(gòu)單晶外延的可行性，提出了氮化物位錯控制新思路，拓展了氮化物在高溫?zé)犭婎I(lǐng)域的應(yīng)用。
成果1：二硫化鎢-玻璃晶圓上生長的連續(xù)單晶氮化鎵薄膜
實現(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，為器件設(shè)計提供新的自由度。
近期，半導(dǎo)體所劉志強研究員、魏同波研究員、北京大學(xué)高鵬教授、北京大學(xué)-北京石墨烯研究院劉忠范院士團隊強強聯(lián)手共同合作。利用與氮化物晶格匹配的過渡金屬硫化物為緩沖層，構(gòu)筑人工生長界面，實現(xiàn)了非晶玻璃晶圓上的單晶薄膜制備，并實現(xiàn)了紫外發(fā)光器件的制備。該項工作以非晶襯底這一極端情況，驗證了氮化物異質(zhì)異構(gòu)單晶外延的可行性。相關(guān)成果以“Continuous Single-Crystalline GaN Film Grown on WS2-Glass Wafer“為題，發(fā)表于Small，并入選期刊內(nèi)封面。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金和半導(dǎo)體所青年人才項目的經(jīng)費支持。
DOI: 10.1002/smll.202202529
圖1 WS2-玻璃晶圓上單晶GaN薄膜的生長[1]
成果2：基于石墨烯中間層的高度失配遠程異質(zhì)外延中應(yīng)力釋放和位錯減 少的原子機制
刃位錯是氮化物材料中的代表性缺陷類型，與另外一種典型缺陷-螺位錯相比，通常情況下其濃度要高一個數(shù)量級。刃位錯對氮化物發(fā)光、電子器件的性能均會產(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，刃位錯的有效抑制手段非常有限。
近期，北京大學(xué)高鵬教授、半導(dǎo)體所劉志強研究員、楊身園副研究員、北京大學(xué)-北京石墨烯研究院劉忠范院士聯(lián)合研究團隊，采用遠程外延，實現(xiàn)了氮化物外延層中刃位錯的有效降低，在原子尺度上研究了應(yīng)力釋放和位錯密度降低的物理機制。發(fā)現(xiàn)無極性的石墨烯緩沖層可以削弱源于襯底的晶格勢場，使得外延層能夠在晶體取向得到控制的同時，其晶格也能相對自由地生長。因此，異質(zhì)外延中晶格失配引起的應(yīng)力得到了釋放，外延層刃位錯密度降低近一個數(shù)量級。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，實現(xiàn)了黃光波段LED器件。相關(guān)成果以“Atomic Mechanism of Strain Alleviation and Dislocation Reduction in Highly Mismatched Remote Heteroepitaxy Using a Graphene Interlayer”為題，發(fā)表于Nano Letters 上。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會和半導(dǎo)體所青年人才項目的經(jīng)費支持。
Nano Letters 22, 3364-3371(2022)
成果3：氮化鎵模板上石墨烯輔助外延的高質(zhì)量氮化鎵薄膜
氮化物材料由于生長方法的限制具有高密度的穿透位錯，這些穿透位錯會充當(dāng)非輻射復(fù)合中心和漏電通道，對氮化物基光電器件和電力電子器件的性能有嚴(yán)重的負面影響。
近期，半導(dǎo)體所劉志強研究員、梁萌副研究員、李晉閩研究員聯(lián)合團隊，采用二維材料石墨烯輔助外延的方法，實現(xiàn)了低應(yīng)力、低位錯密度的高質(zhì)量GaN薄膜的外延生長，并揭示了石墨烯在界面處降低外延層中穿透位錯密度的機制。發(fā)現(xiàn)石墨烯可以部分屏蔽襯底勢場，襯底勢場實現(xiàn)界面晶格調(diào)控的同時，其表面勢場波動一定程度被削弱。因此外延層可以通過原子滑移釋放部分應(yīng)力，實現(xiàn)應(yīng)力的自發(fā)馳豫。引入石墨烯二維晶體后，GaN模板中因穿透位錯導(dǎo)致的晶格畸變在外延界面得以恢復(fù)，表現(xiàn)為石墨烯在界面處阻擋了穿透位錯向上的擴散，因此獲得了比相同襯底同質(zhì)外延位錯密度更低的GaN薄膜。相關(guān)成果以“Graphene-Assisted Epitaxy of High-Quality GaN Films on GaN Templates”為題，在線發(fā)表于Advanced Optical Materials上，該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金的經(jīng)費支持和半導(dǎo)體所青年人才項目的經(jīng)費支持。
DOI: 10.1002/adom.202201262
成果4：高功率效率氮化物熱電器件
能源是社會經(jīng)濟發(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。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)致的溫差電動勢抑制效應(yīng)，工作溫度較低。以GaN為代表的III族氮化物在高溫?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。
中科院半導(dǎo)體所劉志強研究員、梁萌副研究員、北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院孫方遠副教授、中科院半導(dǎo)體所李晉閩研究員聯(lián)合團隊，探索了合金化和低維超晶格結(jié)構(gòu)對載流子和聲子輸運的調(diào)控作用，實現(xiàn)了電子、聲子輸運的有效解耦，成功制備了熱電器件。ZT值優(yōu)于同類器件的文獻報道。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。相關(guān)成果以“High Power Efficiency Nitrides Thermoelectric Device”為題，在線發(fā)表于Nano Energy 上。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和中科院半導(dǎo)體所青年人才項目的經(jīng)費支持。
Nano Energy 101, 107568(2022)
