寧波材料所在氮化物寬禁帶半導(dǎo)體極性調(diào)控及應(yīng)用取得系列研究進展
寬禁帶半導(dǎo)體以GaN、SiC等材料為代表，具備禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、高頻下功率特性優(yōu)良等優(yōu)越性能，在半導(dǎo)體照明、5G通信、智能電網(wǎng)、新能源汽車、消費類電子、國防安全等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。與GaAs、InP等其他化合物半導(dǎo)體不同，纖鋅礦III族氮化物如GaN、AlN、AlGaN材料由于其結(jié)構(gòu)具有非中心對稱特點，沿c軸方向產(chǎn)生強烈的自發(fā)極化，對應(yīng)于金屬極性（III-polar）和氮極性（N-polar）兩種極性面，在薄膜內(nèi)部產(chǎn)生方向相反的極化電荷和內(nèi)建電場。充分利用氮化物薄膜的極性特點設(shè)計器件結(jié)構(gòu)，有利于提升寬禁帶半導(dǎo)體器件量子效率并充分挖掘其應(yīng)用潛能。
近年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所硅基太陽電池及寬禁帶半導(dǎo)體團隊郭煒研究員利用藍寶石襯底上的低溫結(jié)晶層調(diào)控技術(shù)設(shè)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(jié)構(gòu)（LPS）”，并將其應(yīng)用至發(fā)光、探測和電能轉(zhuǎn)換等多個領(lǐng)域。首先對于發(fā)光器件而言，團隊構(gòu)建了多層量子阱異質(zhì)結(jié)與LPS同質(zhì)結(jié)相耦合的紫外發(fā)光器件，實現(xiàn)了載流子在不同極性疇界面處的高效輻射復(fù)合，發(fā)光效率與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比提升了6倍（Guo et al. Adv. Func. Mater., 28, 1802395 （2018）），并創(chuàng)新性提出了“半導(dǎo)體三維能帶理論”。該模型充分考慮了載流子在三維空間內(nèi)的遷移和復(fù)合特性，有望成為解釋光電子器件發(fā)光效率提升和電流擁堵效應(yīng)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(lǐng)域，團隊面向AlGaN基紫外探測器件的低功耗目標(biāo)，結(jié)合MSM探測器結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速率快的特點以及pin結(jié)構(gòu)探測器暗電流低、在無外加偏壓下可工作的“自供電”優(yōu)勢，在領(lǐng)域內(nèi)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(xiàn)出比傳統(tǒng)MSM探測器更高的響應(yīng)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(nèi)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(tǒng)GaN基電子器件隔離漏電流大、隔離工藝復(fù)雜等不足，在新型寬禁帶半導(dǎo)體器件隔離工藝開發(fā)方面取得了新進展。團隊制備了基于極性調(diào)控的自隔離高電子遷移率晶體管（HEMT）陣列，隔離區(qū)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(tǒng)臺面隔離電壓1000V以上，器件開關(guān)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(diào)控實現(xiàn)HEMT自隔離的可行性以及應(yīng)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(diào)控和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)研究，掌握了橫向極性結(jié)構(gòu)制備和載流子輸運、復(fù)合、收集的關(guān)鍵機理。上述工作得到了中科院青促會（2020298）、國家自然科學(xué)基金青年基金（61704176）、面上基金（61974149）、聯(lián)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(jié)構(gòu)制備的紫外LED發(fā)光強度分布和內(nèi)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(jié)構(gòu)”
圖3 基于橫向極性結(jié)構(gòu)的自供電GaN紫外探測器（左）和傳統(tǒng)MSM探測器（右）響應(yīng)度曲線
圖4 基于極性調(diào)控的自隔離GaN HEMT形貌俯視圖、輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線
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