北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室许福军、沈波团队创新发展了一种“可控离散和可控聚合”的外延方法, 在氮化物宽禁带半导体大失配异质外延研究上取得突破性进展。相关成果2023年6月22日以“接近衬底级晶体质量的III族氮化物异质外延薄膜”（ Group-III nitride heteroepitaxial films approaching bulk-class quality）为题在线发表于《自然·材料》（Nature Materials）上。
氮化物宽禁带半导体在光电子、射频电子和功率电子等领域具有重大应用价值，是国际上高度关注的高科技研究方向和竞争焦点。高质量外延薄膜及其量子结构的制备是氮化物半导体研究和产业化的基础和核心环节。迄今蓝宝石等异质衬底上的大失配外延依然是氮化物半导体制备的主流方法，由此导致的高缺陷密度严重制约着材料物性和芯片性能的提升。
近年来，基于图形化衬底的侧向外延方法对于提高氮化物半导体的晶体质量显示出巨大潜力。以纳米图形化蓝宝石衬底上氮化铝（AlN）外延为例，通过匹配图形的周期、占空比及生长条件，可将AlN外延层位错密度降低至~108 cm-2量级，然而进一步降低缺陷密度却十分困难，严重制约着AlN基深紫外光电器件、高功率密度电子器件性能的提升。北大团队的研究发现蓝宝石晶体具有三方对称性，与AlN的六方对称性不同，导致AlN外延过程中存在晶体对称性演变过渡层，极大地增加了原子错排几率，是AlN外延层位错密度难以进一步降低的主要原因。
针对上述难题，北大团队提出了一种新的可控离散和聚合外延思路，通过采用六方孔洞“纳米图形化AlN模板”（nano-patterned AlN/sapphire template，NPAT），成功实现了AlN侧向外延方向的精细调控，有效抑制了外延合拢过程中因原子错排产生的位错。基于该方法制备的蓝宝石衬底上AlN外延层位错腐蚀坑密度被大幅降低至~104 cm-2量级，接近目前AlN单晶衬底的晶体质量。将该AlN模板衬底运用到发光波长277 nm的深紫外发光二极管器件研制中，100 mA下光输出功率达到36.9 mW，相比常规图形化蓝宝石衬底上的器件性能大幅提升，显示了巨大的应用潜力。
图a：六方孔洞结构NPAT的SEM图像。图b：NPAT上AlN侧向外延精细调控示意图。图c：NPAT上AlN侧向外延降低位错密度的原理示意图。图d：NPAT上AlN外延层腐蚀坑的SEM图像。图e：基于NPAT上AlN衬底的深紫外发光二极管光输出功率随注入电流的变化曲线及与常规图形化蓝宝石衬底上器件性能的对比。
北京大学物理学院博士后王嘉铭和博士生解楠为该论文共同第一作者，许福军副教授和沈波教授为共同通讯作者。该工作得到了甘子钊院士和葛惟昆教授等的指导和帮助，北京大学宽禁带半导体研究中心老师康香宁、秦志新、杨学林、唐宁、王新强和部分同学亦对该工作做出了贡献。
该研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科委、北京顺义区科技项目及相关合作企业的大力支持。
论文原文链接
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01573-6
供稿：北京大学凝聚态物理与材料物理研究所
