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中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-024）——诱导成核的高质量异质外延氮化物晶体生长新方法

已有 566 次阅读 2023-11-27 09:21 |系统分类:论文交流

1 工作简介

——诱导成核的高质量异质外延氮化物晶体生长新方法

以GaN为代表的III族氮化物宽禁带半导体在照明、显示、射频、功率等领域显示出优异的器件性能和巨大的发展潜力，已在军民领域获得越来越广泛的应用。基于蓝宝石、碳化硅、硅等衬底的GaN异质外延材料因其高性价比优势一直处于主流地位。对于异质外延GaN材料来讲，不断降低位错密度是其永恒的追求，过去四十多年研究人员先后发展出两步法、插入层法、横向外延过生长、图形化衬底等多种经典的位错抑制方法，位错密度从10¹²cm^-2不断降低到10⁸cm^-2量级。即使如此，位错仍然是限制氮化镓器件性能提升、可靠性与成品率的关键因素。

近期，西安电子科技大学郝跃院士团队的许晟瑞教授、张进成教授在GaN异质外延材料位错密度降低方法再次取得近年来少有的重大突破。提出了一种新型的诱导成核技术，基于蓝宝石衬底实现了异质外延GaN晶体质量的显著提高。诱导成核技术的基本原理是，利用衬底表面预处理，诱导产生的成核岛分布更加规则，成核岛的取向更加一致，大大抑制了成核岛合并时存在的倾转和扭转，显著抑制了位错的产生与延伸。诱导成核技术工艺简单，兼容大尺寸衬底，同时可以用于不同应用领域中GaN基器件的制备，可以有效地降低GaN材料中的位错密度，提升GaN基器件的性能，对异质外延实现高性能GaN器件有重要意义。同时也可以在其它异质外延的半导体中应用。2023年6月6日，相关研究成果以《离子注入诱导高质量成核改善GaN晶体质量以及光学特性》(“Improved crystal quality and enhanced optical performance of GaN enabled by ion implantation induced high-quality nucleation”)为题，在线发表于《光学快报》(Optics Express)。

在该工作中，研究团队针对传统GaN材料异质外延所广泛采用的“两步生长法”中存在的不足，以离子注入技术为基础，利用离子注入对蓝宝石衬底表面进行预处理，实现了在蓝宝石衬底表面引入高质量成核位点的目的。研究团队系统地研究了离子注入剂量对于衬底的影响，对不同离子注入剂量处理后的蓝宝石衬底进行了形貌表征。进一步对不同注入剂量处理的衬底上外延的初期成核层形貌以及外延后的GaN材料晶体质量进行了测试表征。采用离子注入对衬底表面进行预处理后，诱导成核对初期成核层的形状、排列均匀性以及规则程度有了较大的影响，诱导后的成核岛取向一致，成核岛大小及密度适中，抑制了高温GaN外延过程中成核岛合并中由于倾转和扭转带来的位错。HRXRD测试结果也进一步证实了诱导成核实现了GaN外延层晶体质量的改善，GaN外延层位错密度降低了45.9%。

图1. 基于不同衬底预处理条件的初期成核层AFM形貌结果：（a）无注入处理衬底、（b）注入剂量10¹³ cm^-2、（c）注入剂量10¹⁴ cm^-2、（d）注入剂量10¹⁵ cm^-2。

图2. 基于不同预处理条件衬底外延GaN的XRD测试结果。

为了进一步验证材料提升对于氮化物LED器件性能的影响，基于诱导成核技术进行了LED全结构的外延并对器件性能进行了测试。器件测试结果展现了晶体质量提升所带来的LED光输出功率以及电光转换效率的提升。20 mA下LED的电光转换效率提升了21.4%。证实了诱导成核技术对于器件性能的有效提升。研究团队在不引入传统异质掩膜层以及复杂工艺的前提下，利用常规的离子注入工艺实现了基于异质衬底上的高质量成核，取向一致的成核岛抑制了成核岛合并时位错的引入。该诱导成核技术提升了氮化物外延层的晶体质量，并且工艺简单，且可用于不同种类，不同种离子注入方式进行衬底的预处理，同时离子注入工艺兼容大尺寸衬底，为大批量的晶圆级氮化物外延打下了基础，有较大的应用潜力。

图3. 基于对照样品与诱导成核GaN样品外延制备LED器件结果对比。

此外，由于SiC衬底在散热方面的巨大优势以及在GaN基电子器件中的广泛应用，提高SiC基GaN材料的晶体质量意义重大。研究团队针对SiC衬底结合诱导成核技术实现了低位错密度的SiC基GaN材料，采用N离子注入对SiC衬底进行表面预处理，外延后GaN晶体的（002）面与（102）面XRC半高宽值低至66 arcsec与96 arcsec，且表面形貌平整，表面RMS粗糙度低至0.14 nm。与国内外SiC衬底外延GaN材料晶体质量对比，采用诱导成核技术，基于SiC衬底外延的GaN晶体质量较高，处于领先水平。诱导成核技术在多种类衬底上的应用有效降低了异质外延GaN的位错密度，进一步发挥了氮化物的材料特性优势，为实现高功率、高效率以及高频率的GaN基器件打下了基础。

图4. 诱导成核技术外延SiC基GaN的XRC测试结果。

该论文是在郝跃院士的指导下完成的。论文的第一作者为西安电子科技大学微电子学院2020级博士研究生陶鸿昌。西安电子科技大学微电子学院许晟瑞教授、张进成教授为论文的通讯作者。主要合作者还包括西安电子科技大学微电子学院周弘教授、张雅超副教授。

2 作者简介

通讯作者

许晟瑞，西安电子科技大学微电子学院教授、博士生导师。

主要从事氮化物互补逻辑电路，光电集成和HEMT器件的研究。相关的成果发表在Nano Letters、IEEE TED/EDL、APL/JAP等国际主流期刊，授权专利30余项。研究成果获得2011年，2014年陕西省科学技术一等奖和2017年教育部技术发明一等奖，2022年陕西省电子学会自然科学一等奖。主持国家自然科学基金青年基金和面上项目，主持国家重点研发计划课题项目，主持陕西省重点产业链项目等多项国家重点课题。获得国家教学成果二等奖一项，多次指导学生获得全国集成电路创新创业大赛一、二等奖，并获得优秀指导教师称号。

通讯作者

张进成，西安电子科技大学副校长、微电子学院教授、博士生导师、教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者、万人计划领军人才、国家级科技创新团队带头人。

主要研究方向包括宽禁带与超宽禁带半导体器件与集成电路。在Nature Communications、IEDM、IEEE TED/EDL、APL/JAP等国际高水平期刊和会议上发表论文500余篇，SCI他引10000余次，H因子50以上，入选全球前2%顶尖科学家榜单。成果10余次被国际著名行业杂志Semiconductor Today、Compound Semiconductor等专题报道，在国内外学术会议作特邀报告100余次，出版专著3部，授权发明专利100余项。以第一和第二完成人获得国家技术发明奖二等奖2项，以第一完成人获得陕西省、教育部和中国电子学会科学技术奖（发明）一等奖3项，作为主要带头人获得国家级科技创新团队奖1项。获得国家级教学成果奖一等奖1项（排名第二）和陕西省教学成果特等奖1项（排名第三）。

共同作者

郝跃，中国科学院院士，微电子学专家，博士生导师，九三学社第十四届中央委员会常委和九三学社陕西省委主委、中国电子学会副理事长，国际IEEE学会高级会员。

郝跃院士是国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)"核心电子器件、高端通用芯片和基础软件产品"科技重大专项实施专家组组长、国务院第七届学科评议组(电子科学与技术一级学科)召集人、国家自然科学基金委员会信息科学部主任、高等院校电子信息类专业教学指导委员会主任委员、教育部科技委委员、国家重大基础研究计划(973计划)项目首席科学家、陕西省科学技术协会副主席、微电子技术领域的著名专家。他是第九、第十、第十三届全国政协委员和第十一届全国人大代表。郝跃院士长期从事新型宽禁带半导体材料和器件、微纳米半导体器件与高可靠集成电路等方面的科学研究与人才培养。在氮化镓∕碳化硅第三代(宽禁带)半导体功能材料和微波器件、半导体短波长光电材料与器件研究和推广、微纳米CMOS器件可靠性与失效机理研究等方面取得了系统的创新成果。成果获得国家技术发明奖二等1项（2009年），国家科技进步奖二等2项（2008年、2015年），国家科技进步奖三等1项（1998年）；国家级教学成果一等奖1项（2018年）和国家级教学成果二等奖1项（2014年）；获得国家发明专利授权近百项；出版《氮化物宽禁带半导体材料与电子器件》、《碳化硅宽带隙半导体技术》、《集成电路制造动力学理论与方法》和《微纳米CMOS器件可靠性与失效机理》、《NITRIDE WIDE BANDGAP SEMICONDUCTOR MATERIAL AND ELECTRONIC DEVICES》等多部著作，在国内外著名期刊上发表学术论文500余篇；2010年荣获“何梁何利”科学技术奖。