北京大學物理學院凝聚態物理與材料物理研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室許福軍、沈波團隊創新發展了一種“可控離散和可控聚合”的外延方法,在氮化物寬禁帶半導體大失配異質外延研究上取得突破性進展。相關成果2023年6月22日以“接近襯底級晶體質量的III族氮化物異質外延薄膜”（Group-III nitride heteroepitaxial films approaching bulk-class quality）為題在線發表于《自然·材料》（Nature Materials）上。

氮化物寬禁帶半導體在光電子、射頻電子和功率電子等領域具有重大應用價值，是國際上高度關注的高科技研究方向和競爭焦點。高質量外延薄膜及其量子結構的制備是氮化物半導體研究和產業化的基礎和核心環節。迄今藍寶石等異質襯底上的大失配外延依然是氮化物半導體制備的主流方法，由此導致的高缺陷密度嚴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向外延方法對于提高氮化物半導體的晶體質量顯示出巨大潛力。以納米圖形化藍寶石襯底上氮化鋁（AlN）外延為例，通過匹配圖形的周期、占空比及生長條件，可將AlN外延層位錯密度降低至~10⁸cm^-2量級，然而進一步降低缺陷密度卻十分困難，嚴重制約著AlN基深紫外光電器件、高功率密度電子器件性能的提升。北大團隊的研究發現藍寶石晶體具有三方對稱性（），與AlN的六方對稱性（）不同，導致AlN外延過程中存在晶體對稱性演變過渡層，極大地增加了原子錯排幾率，是AlN外延層位錯密度難以進一步降低的主要原因。

針對上述難題，北大團隊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），成功實現了AlN側向外延方向的精細調控，有效抑制了外延合攏過程中因原子錯排產生的位錯?；谠摲椒ㄖ苽涞乃{寶石襯底上AlN外延層位錯腐蝕坑密度被大幅降低至~10⁴cm^-2量級，接近目前AlN單晶襯底的晶體質量。將該AlN模板襯底運用到發光波長277 nm的深紫外發光二極管器件研制中，100 mA下光輸出功率達到36.9 mW，相比常規圖形化藍寶石襯底上的器件性能大幅提升，顯示了巨大的應用潛力。

北京大學物理學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和幫助，北京大學寬禁帶半導體研究中心的康香寧、秦志新、楊學林、唐寧、王新強老師和部分同學亦對該工作做出了貢獻。

該研究工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市科委、北京順義區科技項目及相關合作企業的大力支持。

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

圖a：六方孔洞結構NPAT的SEM圖像，圖b：NPAT上AlN側向外延精細調控示意圖，圖c：NPAT上AlN側向外延降低位錯密度的原理示意圖，圖d：NPAT上AlN外延層腐蝕坑的SEM圖像，圖e：基于NPAT上AlN襯底的深紫外發光二極管光輸出功率隨注入電流的變化曲線及與常規圖形化藍寶石襯底上器件性能的對比。

（來源：北京大學物理學院）