美國物理學會Physical Review Letters（PRL）期刊2018年10月5日在線發(fā)表了北京大學物理學院寬禁帶半導體研究中心和“新型半導體低維量子結(jié)構(gòu)與器件”創(chuàng)新群體的最新研究成果“Unambiguous Identification of Carbon Location on the N Site in Semi-insulating GaN”。
III族氮化物（又稱GaN基）寬禁帶半導體具有一系列優(yōu)異的物理、化學性質(zhì)，是發(fā)展半導體照明、新一代移動通信、新一代通用電源、新能源汽車、固態(tài)紫外光源等不可替代的新型半導體材料。摻雜調(diào)控是氮化物半導體材料和器件發(fā)展的關(guān)鍵科學和技術(shù)問題。通過C摻雜獲得半絕緣GaN是當前研制GaN基電子器件的主流方法。但作為IV族元素，C雜質(zhì)在GaN中具有兩性特征，既可替代N原子，也可替代Ga原子，或者與其他雜質(zhì)和缺陷形成復合體，使GaN中C的摻雜機理非常復雜，成為近年來氮化物半導體電子材料和器件領(lǐng)域關(guān)注的焦點問題之一，確定C雜質(zhì)在GaN中的晶格位置對于解決上述問題至關(guān)重要。
由沈波教授領(lǐng)導的北京大學寬禁帶半導體研究團隊與其合作者近期在這一問題上取得了重要進展。該團隊與中科院蘇州納米所和中國科技大學等合作單位采用紅外光譜和拉曼光譜技術(shù)，克服了GaN中強烈的剩余射線帶相關(guān)反射區(qū)導致的測量難題，實驗中觀察到半絕緣GaN中與C有關(guān)的兩個局域振動模，并結(jié)合第一性原理計算，給出了C雜質(zhì)在GaN中替代N位的直接證據(jù)，解決了這一長期存在的爭議問題。該成果對于理解和認識C雜質(zhì)在AlN、BN、ZnO等其他六方對稱化合物半導體材料中的摻雜行為亦具有重要的參考價值。
不同偏振下的拉曼光譜
北京大學博士生吳珊為該論文的第一作者，楊學林、沈波為該論文的共同通訊作者。合作者包括中科院蘇州納米所的石林老師、徐科老師，北大工學院的張青老師，中國科技大學的戚澤明老師，以及北京大學寬禁帶半導體研究中心的數(shù)位老師和同學。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、2011協(xié)同創(chuàng)新中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室等項目的資助。
氮化物半導體材料總體發(fā)展現(xiàn)況
在氮化物半導體的應(yīng)用上，目前最為廣泛的仍為GaN材料系統(tǒng)，可以說氮化物半導體的成功很大程度是奠基于LED產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是在2014年諾貝爾物理獎頒給了中村修二(Shuji Nakamura)、赤崎勇(Akasaki Isamu)、天野浩(Hiroshi Amano)等三位日本科學家后，更加肯定了氮化物半導體對于產(chǎn)業(yè)與學術(shù)的貢獻。然而除了LED之外，其他包括雷射二極體(Laser Diode)、功率元件(Power Electronics)、射頻元件(RF Electronics)等之未來發(fā)展性均相當看好。Nitride近年的應(yīng)用市場也逐漸由光學元件(Optical Devices)擴散到電子元件(Electrical Devices)，整個氮化物半導體的應(yīng)用前景亦更加廣泛。
另外一個受到重視的材料系統(tǒng)則為AlN，由于該材料具有更寬的能隙(＞6eV)，因此目前最看好的應(yīng)用包括更高電壓的功率元件以及(深)紫外光發(fā)光二極體(Deep Ultra-violet LED)與雷射二極體。即使目前功率元件碳化矽的價格已經(jīng)大幅降低，市場仍尚未大量導入，可想而知，AlN的機會可能更加遙遠。然而，因為AlN的能隙更大，因此相對容易制作成Semi-insulating晶片，加上與GaN的晶格系數(shù)差異小，能在GaN/AlN的結(jié)構(gòu)上找到RF的應(yīng)用機會。InN以長波長的紅外光應(yīng)用為主，但是因為能隙小，其材料特殊性低，且與Ge與SiGe的應(yīng)用多有重疊，目前仍以InGaN磊晶作為光學元件的波長調(diào)整用磊晶制作為主，基板機會小。BN的晶體技術(shù)則相對不成熟，但有不少研究持續(xù)進行中，氮化物半導體與其他半導體材料之晶格常數(shù)與能隙比較如圖一所示。
在元件的制作上，GaN仍為主要的基板材料，AlGaN則為主要的磊晶層結(jié)構(gòu)，Al的摻雜使光學元件波長縮短，InGaN中In的摻雜則使光學元件波長增長，磊晶技術(shù)大多著墨于組成與結(jié)構(gòu)對應(yīng)晶格結(jié)構(gòu)不匹配性(Lattice Mismatch)以及光學與電特性的調(diào)配。整體而言，就基板技術(shù)的成熟度與市場應(yīng)用潛力而言，GaN與AlN較具潛力，尤以GaN的機會最為看好。
氮化物半導體與其他半導體材料之晶格常數(shù)與能隙