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中国半导体十大研究进展候选推荐（2022-046）——原子尺度氮化物生长堆叠次序指认及位错起源新讨论

已有 1167 次阅读 2022-12-19 16:34 |系统分类:论文交流

1 工作简介

——原子尺度氮化物生长堆叠次序指认及位错起源新讨论

氮化物半导体材料是半导体照明、全彩显示、电力电子等器件的核心基础材料，在其已经实现大规模产业化应用的今天，氮化物材料生长界面研究仍具有重要的科学意义，日久弥新。

上个世纪80年代，日本科学家首次实现了氮化物材料外延，然而30余年时间里，生长界面仍存在大量学术争议，传统“由表面推测界面”的研究方法常常引起错误的认知，例如：1、异质界面的精确原子构型仍不清晰；2、由于缺乏反演对称性，原则上讲， c面蓝宝石上MOCVD外延的氮化物可出现金属极性（Al极性、Ga极性）或N极性，但是MOCVD生长得到的氮化物表面呈现高度一致的金属极性，迄今氮化物的极性选择机制尚未明确，氮化物极性是否继承于生长界面并维持恒定？3、氮化物材料极高的位错密度是否仅仅源自界面晶格失配和热失配？

近期，中国科学院半导体研究所照明研发中心与半导体超晶格国家重点实验室、美国北卡罗来纳大学、北京大学量子材料科学中心、福州大学物理与信息工程学院合作，指认了氮化物生长原子尺度堆叠次序，研究团队发现通过MOCVD在蓝宝石上生长的氮化物材料，晶格排布并不是直接继承于氮化物/蓝宝石界面，而是在生长过程中经历了自发的极性反转。初始生长阶段，氮化物倾向于呈现氮极性，而不是此前被广泛接受的金属极性。在表面能各向异性的驱动下，极性逐步转变为金属极性，伴随着大量极性反转晶界的形成，对后续生长产生重要影响。

图1. 氮化物生长界面自发极化反转。

图2. AlN外延层界面（a）及表面（b-c）极性表征。

图3. AlN/蓝宝石界面原子尺度堆叠次序。

该工作揭示了MOCVD生长的氮化物与蓝宝石衬底的界面原子构型，阐明了氮化物晶格极性选择和演进机制；证实了除晶格失配和热失配之外，自然存在的极性反转晶界（Inversion domain boundaries，IDBs）是氮化物高位错密度的另一重要起因；该工作为提高氮化物外延材料的质量、优化大功率及高频器件的击穿特性提供全新的思路和优化方向。

图4. 极性反转晶界原子排列的STEM。

图5. 界面晶格畸变定量分析。

文章题为“MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长的AlN材料自发极性反转原子机理（Atomic-Scale Mechanism of Spontaneous Polarity Inversion in AlN on Nonpolar Sapphire Substrate Grown by MOCVD）”，于 2022年2月10日在线发表于Small期刊（DOI: 10.1002/smll.202200057）。并被选为期刊封面，编辑推荐入选“Hot Topic: Surfaces and Interfaces”。

中科院半导体所刘志强研究员为本文第一作者，北京大学高鹏研究员、中科院半导体所杨身园副研究员、北卡大学张勇教授、中科院半导体所刘志强研究员为本文共同通讯作者。工作受到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划资助项目、中科院半导体所青年人才项目的经费支持。

2 作者简介

通讯作者&第一作者

刘志强，中国科学院半导体研究所特聘研究员，中国科学院大学岗位教授，“863重大项目”负责人，中科院青促会第三批会员，国家重点研发计划“新型显示与战略性电子材料”专项指南专家。

主要从事宽禁带半导体光电材料、器件，氮化物范德华外延，纳米像元超高清显示，氮化物电力电子器件等研究，在Science Advances、Adv. Mater.、Small、JACS、APL等国内外杂志发表论文150余篇。

通讯作者

高鹏，研究员，北京大学博雅青年学者。国家杰出青年基金获得者，国家重点研发计划首席科学家。

现工作于北京大学量子材料科学研究中心，担任北京大学电子显微镜实验室副主任。长期从事材料界面物理和电子显微学研究，主要包括低维轻元素材料表界面、复杂氧化物界面、新能源材料的界面与相变等。发表论文200余篇，包括60多篇Science/Nature及子刊、PRL、Adv Mater。论文被引万余次，多个工作被NSF News、IEEE Spectrum、BBC News、ScienceDaily、Phys.org、R&D Magazine、Physics News、、Compound Semiconductor、Semiconductor Today、AIP Scilight、National Science Review等国内外媒体作为研究亮点进行报道。曾获日本JSPS研究员、中科院青促会特邀会员、中国新锐科技人物、中国电子科技十大进展、中国光学十大科技进展、中国硅酸盐学会青年科技奖等奖项与荣誉称号。

通讯作者

杨身园，中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室副研究员。

2003年本科毕业于北京师范大学物理学系，2009年在中国科学院物理研究所获博士学位，期间前往美国田纳西大学和橡树岭国家实验室做访问学者，之后在劳伦斯伯克利国家实验室做博士后研究。2011年进入半导体所工作，主要研究方向是半导体材料、纳米结构、二维材料及界面结构和物理性质的理论模拟。已发表SCI论文近40篇，其中一作和通讯作者20余篇（含共同）。2019年获中国新锐科技人物突出成就奖。

通讯作者

张勇，Bissell讲席教授。现就职于美国北卡罗来纳大学电子与计算机工程系。

1982年、1985年毕业于厦门大学，获得理学学士、硕士学位。1994年毕业于美国达特茅斯学院，获得理学博士学位。主要研究领域涉及太阳能光伏、固体照明及探测器等新材料及器件，固体物理与电子工程基础科学研究，光谱和材料制备，第一性原理和电子结构计算，纳米材料、半导体超晶格及合金、无机-有机复合材料。在国际知名期刊发表论文250余篇。

3 原文传递

详情请点击论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202200057

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