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中國科學(xué)院半導(dǎo)體所在氮化物位錯演化機制及光電神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)器件研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展

日期:2024-07-22 閱讀:448
核心提示:III-族氮化物多采用藍(lán)寶石襯底異質(zhì)外延生長,由于大的晶格失配和熱失配,導(dǎo)致高密度穿透位錯(108-1010),極大地影響氮化物發(fā)光

 III-族氮化物多采用藍(lán)寶石襯底異質(zhì)外延生長,由于大的晶格失配和熱失配,導(dǎo)致高密度穿透位錯(108-1010),極大地影響氮化物發(fā)光器件、電子電力器件性能。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所劉志強研究員團(tuán)隊長期聚焦氮化物生長界面研究并形成系列研究成果,明確了原子尺度氮化物/藍(lán)寶石生長界面構(gòu)型(Small 2022, 18, 2200057),闡明了原子尺度界面應(yīng)力釋放機制(Nano Letters 22, 3364-3371(2022))。近期,半導(dǎo)體所劉志強研究員團(tuán)隊與北京大學(xué)高鵬教授,福州大學(xué)吳朝興教授、郭太良教授,韓國漢陽大學(xué)Tae Whan Kim教授團(tuán)隊合作,在氮化物位錯演化機制及光電神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)器件研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。

當(dāng)前對于穿透位錯的有效抑制手段有限且低效。為了進(jìn)一步揭示氮化物生長界面的原子尺度位錯演化過程,有效降低穿透性刃位錯密度,半導(dǎo)體所劉志強研究員團(tuán)隊與北京大學(xué)高鵬教授團(tuán)隊開展合作,對GaN /Al2O3界面進(jìn)行了平面高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)分析,同時觀察到了摩爾圖案(Moiré patterns)變形和失配位錯的終止;并對摩爾圖案變形區(qū)域進(jìn)行原子級表征,基于原子結(jié)構(gòu)以及伯格斯矢量分析,確定導(dǎo)致摩爾圖案變形的缺陷類型為穿透刃位錯,從而證明外延層中的穿透刃位錯起源于界面處失配位錯的融合反應(yīng)(圖1-2)。基于此氮化物穿透位錯演化機制的新理解,研究人員構(gòu)建了滑移界面,降低了滑移勢壘,引入了新的應(yīng)力釋放途徑,從而揭示了氮化物生長界面位錯原子級演化過程,提出了從源頭上抑制位錯生成的外延新思路,最終實現(xiàn)GaN外延層穿透刃位錯密度降低近一個數(shù)量級。

相關(guān)成果于2024年6月11日以“氮化物異質(zhì)外延中刃型穿透位錯的原子演化機制及抑制方法”(Atomic Evolution Mechanism and Suppression of Edge Threading Dislocations in Nitride Remote Heteroepitaxy)為題,發(fā)表在《納米快報》(Nano Letters,doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01724)上。半導(dǎo)體所劉志強研究員、康俊杰副研究員、北京大學(xué)高鵬教授為共同通訊作者,半導(dǎo)體所博士生施博、北京大學(xué)博士生劉哲彤、半導(dǎo)體所李楊博士為共同第一作者。該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃,國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所青年人才項目的經(jīng)費支持。

圖1  GaN/Al2O3界面STEM-HAADF刃位錯直接觀測圖像及原子結(jié)構(gòu)示意

圖2 GaN/Al2O3界面穿透刃位錯演化機制

基于高質(zhì)量外延材料的氮化物光電器件是實現(xiàn)類腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)路線之一。半導(dǎo)體所劉志強研究員團(tuán)隊與福州大學(xué)吳朝興教授,郭太良教授、韓國漢陽大學(xué)Tae Whan Kim教授團(tuán)隊合作,構(gòu)建了基于高質(zhì)量nano-LED的人工感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),模擬了人類神經(jīng)系統(tǒng)中的多通路信號傳遞過程。

人腦神經(jīng)元的應(yīng)答是即時、高度并行、復(fù)雜輸出的,構(gòu)建仿生神經(jīng)形態(tài)電子系統(tǒng)是類腦計算領(lǐng)域的重要研究課題。在交流脈沖驅(qū)動下,nano-LED生成具有記憶效應(yīng)的電致光信號脈沖,利用光脈沖波形中的特征波峰對多個分布式傳感器的電信號進(jìn)行編碼,并在人工感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中無串?dāng)_同步傳輸。構(gòu)建的人工感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成功模擬了人腦的觸覺感知,識別準(zhǔn)確率達(dá)到98.88%。

相關(guān)成果于2024年5月5日以 “基于記憶電致發(fā)光的傳入神經(jīng)系統(tǒng)”(Memory-electroluminescence for multiple action-potentials combination in bio-inspired afferent nerves)為題,發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications,doi.org/10.1038/s41467-024-47641-6)上。福州大學(xué)吳朝興教授,郭太良教授,半導(dǎo)體所劉志強研究員,韓國漢陽大學(xué)Tae Whan Kim教授為論文共同通訊作者。該工作受到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃和中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所青年人才項目的經(jīng)費支持。

圖3 基于記憶電致發(fā)光的傳入神經(jīng)系統(tǒng)示意

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