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                寧波材料所在氮化物寬禁帶半導體極性調控及應用取得系列研究進展
                作者:,日期:2022-08-12

                  寬禁帶半導體以GaN、SiC等材料為代表,具備禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、高頻下功率特性優良等優越性能,在半導體照明、5G通信、智能電網、新能源汽車、消費類電子、國防安全等領域擁有廣闊的應用前景。與GaAs、InP等其他化合物半導體不同,纖鋅礦III族氮化物如GaN、AlN、AlGaN材料由于其結構具有非中心對稱特點,沿c軸方向產生強烈的自發極化,對應于金屬極性(III-polar)和氮極性(N-polar)兩種極性面,在薄膜內部產生方向相反的極化電荷和內建電場。充分利用氮化物薄膜的極性特點設計器件結構,有利于提升寬禁帶半導體器件量子效率并充分挖掘其應用潛能。

                  近年來,中國科學院寧波材料技術與工程研究所硅基太陽電池及寬禁帶半導體團隊郭煒研究員利用藍寶石襯底上的低溫結晶層調控技術設計制備了同時具有金屬極性和氮極性疇的“橫向極性外延結構(LPS)”,并將其應用至發光、探測和電能轉換等多個領域。首先對于發光器件而言,團隊構建了多層量子阱異質結與LPS同質結相耦合的紫外發光器件,實現了載流子在不同極性疇界面處的高效輻射復合,發光效率與傳統結構相比提升了6倍(Guo et al. Adv. Func. Mater., 28, 1802395 (2018)),并創新性提出了“半導體三維能帶理論”。該模型充分考慮了載流子在三維空間內的遷移和復合特性,有望成為解釋光電子器件發光效率提升和電流擁堵效應的理論工具(Guo et al. Optica, 6, 1058 (2019)、Guo et al., Photon. Res., 8, 812 (2020)、Guo et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 53, 483002 (2020))。

                  其次,在紫外光電探測領域,團隊面向AlGaN基紫外探測器件的低功耗目標,結合MSM探測器結構簡單、響應速率快的特點以及pin結構探測器暗電流低、在無外加偏壓下可工作的“自供電”優勢,在領域內首次制備了截止波長在365 nm和280 nm的可見盲和日盲探測器。以自供電可見盲探測器為例,該器件表現出比傳統MSM探測器更高的響應度(933.7 mA/W)和光-暗電流比(1.2×104) (Guo et al., Opt. Lett., 46, 3203 (2021))。通過建模分析,得出器件具有自供電特性的原因主要來源于極性疇界面處的橫向內建電場和不同極性疇金-半接觸界面的勢壘差異(Mukhopadhyay et al., JVST-B 39, 052206 (2021))。

                  最近,團隊針對傳統GaN基電子器件隔離漏電流大、隔離工藝復雜等不足,在新型寬禁帶半導體器件隔離工藝開發方面取得了新進展。團隊制備了基于極性調控的自隔離高電子遷移率晶體管(HEMT)陣列,隔離區尺寸3μm條件下兩端隔離漏電流低至3×10-14 A,兩端擊穿電壓>2600V,高于傳統臺面隔離電壓1000V以上,器件開關比>109,亞閾值斜率61 mV/dec,接近理論極限值60 mV/dec,證明了基于極性調控實現HEMT自隔離的可行性以及應用至高密度單片集成電路芯片的廣闊前景(Dai et al., Appl. Phys. Lett., 121, 012104 (2022))。

                  團隊通過多年的氮化物極性調控和器件結構設計基礎研究,掌握了橫向極性結構制備和載流子輸運、復合、收集的關鍵機理。上述工作得到了中科院青促會(2020298)、國家自然科學基金青年基金(61704176)、面上基金(61974149)、聯合基金(U21A20498)和浙江省杰青基金(LR22F040004)的支持。

                圖1 基于橫向極性結構制備的紫外LED發光強度分布和內量子效率分布

                圖2 基于金屬極性和氮極性量子阱的“三維能帶結構”

                圖3 基于橫向極性結構的自供電GaN紫外探測器(左)和傳統MSM探測器(右)響應度曲線

                圖4 基于極性調控的自隔離GaN HEMT形貌俯視圖、輸出特性和轉移特性曲線

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                他粗喘着释放在她体内

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