III-族氮化物多采用藍(lán)寶石襯底異質(zhì)外延生長(zhǎng)，由于大的晶格失配和熱失配，導(dǎo)致高密度穿透位錯(cuò)（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(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所劉志強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期聚焦氮化物生長(zhǎng)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(zhǎng)界面構(gòu)型（Small 2022, 18, 2200057），闡明了原子尺度界面應(yīng)力釋放機(jī)制（Nano Letters 22, 3364-3371（2022））。近期，半導(dǎo)體所劉志強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)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(guó)漢陽(yáng)大學(xué)Tae Whan Kim教授團(tuán)隊(duì)合作，在氮化物位錯(cuò)演化機(jī)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(duì)于穿透位錯(cuò)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(zhǎng)界面的原子尺度位錯(cuò)演化過程，有效降低穿透性刃位錯(cuò)密度，半導(dǎo)體所劉志強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)高鵬教授團(tuán)隊(duì)開展合作，對(duì)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(shí)觀察到了摩爾圖案（Moiré patterns）變形和失配位錯(cuò)的終止；并對(duì)摩爾圖案變形區(qū)域進(jìn)行原子級(jí)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(cuò)，從而證明外延層中的穿透刃位錯(cuò)起源于界面處失配位錯(cuò)的融合反應(yīng)（圖1-2）。基于此氮化物穿透位錯(cuò)演化機(jī)制的新理解，研究人員構(gòu)建了滑移界面，降低了滑移勢(shì)壘，引入了新的應(yīng)力釋放途徑，從而揭示了氮化物生長(zhǎng)界面位錯(cuò)原子級(jí)演化過程，提出了從源頭上抑制位錯(cuò)生成的外延新思路，最終實(shí)現(xiàn)GaN外延層穿透刃位錯(cuò)密度降低近一個(gè)數(shù)量級(jí)。
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(cuò)的原子演化機(jī)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(bào)》（Nano Letters，doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01724）上。半導(dǎo)體所劉志強(qiáng)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所青年人才項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。
圖1 GaN/Al2O3界面STEM-HAADF刃位錯(cuò)直接觀測(cè)圖像及原子結(jié)構(gòu)示意
圖2 GaN/Al2O3界面穿透刃位錯(cuò)演化機(jī)制
基于高質(zhì)量外延材料的氮化物光電器件是實(shí)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(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)與福州大學(xué)吳朝興教授，郭太良教授、韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)Tae Whan Kim教授團(tuán)隊(duì)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(hào)傳遞過程。
人腦神經(jīng)元的應(yīng)答是即時(shí)、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(jì)算領(lǐng)域的重要研究課題。在交流脈沖驅(qū)動(dòng)下，nano-LED生成具有記憶效應(yīng)的電致光信號(hào)脈沖，利用光脈沖波形中的特征波峰對(duì)多個(gè)分布式傳感器的電信號(hào)進(jìn)行編碼，并在人工感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)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(shí)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(qiáng)研究員，韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)Tae Whan Kim教授為論文共同通訊作者。該工作受到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所青年人才項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。
圖3 基于記憶電致發(fā)光的傳入神經(jīng)系統(tǒng)示意
