前进中的北京大学宽禁带半导体研究中心

重要成就 在“十五”期间，先后完成了国家“863”项目4项，“973”项目一项．目前承担国家自然科学基金项目7项、北京市科委项目2项。实现了科研成果转化4项．为发展高技术．实现产业化．做出了重要贡献。在中心全体人员的共同努力下．所取得的主要成果如下：

氮化物宽禁带半导体的MOCVD大失配异质外延

以氮化镓(GaN)、AlN(氮化铝)为代表的Ⅲ族氮化物宽禁带半导体是研制短波长光电子器件和高频、高功率电子器件的核心材料体系。由于缺少高质量、低成本的同质GaN和AlN衬底,氮化物半导体主要通过异质外延,特别是大失配异质外延来制备。由此导致的高缺陷密度、残余应力成为当前深紫外发光器件、功率电子器件等氮化物半导体器件发展的主要瓶颈,严重影响了材料和器件性能的提升。本文简要介绍了氮化物半导体金属有机化学气相沉积(MOCVD)大失配异质外延的发展历史,重点介绍了北京大学在蓝宝石衬底上AlN、高Al组分AlGaN的MOCVD外延生长和p型掺杂、Si衬底上GaN薄膜及其异质结构的外延生长和缺陷控制等方面的主要研究进展。最后对Ⅲ族氮化物宽禁带半导体MOCVD大失配异质外延的未来发展做了简要展望。

GaN基半导体异质结构的外延生长、物性研究和器件应用

GaN基宽禁带半导体异质结构具有非常强的极化效应、高饱和电子漂移速度、高击穿场强、高于室温的居里转变温度、和较强的自旋轨道耦合效应等优越的物理性质,是发展高功率微波射频器件不可替代的材料体系,也是发展高效节能功率电子器件的主要材料体系之一,在半导体自旋电子学器件上亦有潜在的应用价值。GaN基异质结构材料、物理与器件研究已成为当前国际上半导体科学技术的前沿领域和研究热点。本文从GaN基异质结构的外延生长、物理性质及其电子器件应用三个方面对国内外该领域近年来的研究进展进行了系统的介绍和评述,并简要介绍了北京大学在该领域的研究进展。

高性能阴极荧光分析系统及其在氮化物半导体材料研究中的应用

本文介绍由场发射环境扫描电镜和高性能阴极荧光谱仪构成的联合分析系统。该系统在图像质量、图像空间分辨、阴极荧光成像及光谱分析等方面具有优越的性能。利用这一系统对氮化物半导体材料的微观特征、器件结构和光学性能的相互关系进行研究,获得许多有意义的结果。

第三代半导体Ⅲ族氮化物的物理与工程——从基础物理到产业发展的典范

以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物属于宽禁带半导体,即通常所谓"第三代"半导体材料。作为Si、Ge以及传统Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体之后的新一代半导体材料,GaN具有更大的禁带宽度、更高的击穿电场、更稳定的物理化学性质等优异特性,已经成为半导体研究极为重要的领域和国家重大研究方向。尽管Ⅲ族氮化物的晶体质量与传统半导体材料相比仍然有很大差距,但并不妨碍Ⅲ族氮化物及其量子结构在光电器件及电子器件中的广泛应用,围绕GaN及其他相关氮化物半导体的研究和开发,在物理与工程方面都具有极为特殊的意义,是基础物理研究和产业化应用结合的典范。

分子吸收光谱在半导体薄膜化学气相沉积中的应用

在化学气相沉积（CVD）生长半导体薄膜过程中,反应前体的浓度测量对于了解反应机理至关重要。紫外-可见吸收光谱和红外光谱是测量半导体薄膜CVD生长中分子浓度的主要工具,特别是可以实现气体浓度的原位测量。本文介绍了CVD中紫外-可见吸收光谱的测量系统,以及它们在测量Ⅲ～Ⅴ族气体浓度和确定在不同条件下化学反应路径中的应用。包括常见金属有机物等气体的吸收特征,紫外-可见吸收光谱在不同温度和压力下CVD过程中In N、Ga N薄膜生长中的应用。本文也介绍了红外光谱分析方法在CVD中的应用,包括不同条件下TMG和NH3气相反应机理的分析、SiC薄膜的元素成分分析以及Ga N薄膜的气相反应速率的确定。

Si衬底上外延生长GaN基射频电子材料的研究进展

Si衬底因兼具大尺寸、低成本以及与现有CMOS工艺兼容等优势,使Si衬底上GaN基射频(RF)电子材料和器件成为继功率电子器件之后下一个该领域关注的焦点。由于力学性质与低阻Si衬底不同,高阻Si衬底上GaN基外延材料生长的应力控制和位错抑制问题仍然困难,且严重的射频损耗问题限制着其在射频电子领域的应用。本文简要介绍了Si衬底上GaN基射频电子材料的研究现状和面临的挑战,重点介绍了北京大学研究团队在高阻Si衬底上GaN基材料射频损耗的产生机理,以及低位错密度、低射频损耗GaN的外延生长等方面的主要研究进展。最后对Si衬底上GaN基射频电子材料和器件的未来发展作了展望。

基于分离多量子垒电子阻挡层的AlGaN基深紫外发光二极管

通过分离多量子垒电子阻挡层(EBL)结构,实现了AlGaN基DUV-LED器件性能的提升。由仿真结果可得,与传统的块状EBL相比,采用分离多量子垒结构的EBL可以获得更高的空穴浓度和辐射复合速率。这得益于EBL中间的夹层形成了空穴加速区,使得空穴在加速区获得能量,从而提高了空穴注入效率。另外,多量子势垒结构还能够通过提高电子势垒有效抑制电子泄漏,从而大幅度提升器件性能。综上所述,多量子垒电子阻挡层的引入可以显著提升AlGaN基DUV-LED器件的性能。

GaN基大功率倒装焊蓝光LED的I-V特性研究

测量了GaN基大功率倒装焊蓝光发光二极管(LED)在不同温度、不同老化阶段的电流-电压(I-V)特性曲线。结果表明,相对理想情形,特性曲线的反向偏压区漏电因深能级隧穿偏大;正向小偏压下因沿着位错汇聚金属产生漏电流;产生-复合电流区和扩散电流区因多量子阱限制而理想因子偏大;由于有源区低掺杂,在10 A/cm2就开始形成大注入区;在大电流下也因为串联电阻分压而形成串联电阻区。扩散电流区的温度系数和肖克莱方程导出的数值最接近,可用来测量结温。老化过程中反向漏电流增加,是因为有了更多被激活的深能级;随着老化正向漏电增加的速度变慢,是由于位错逐渐被汇集的金属填满。

高亮度InGaN基白光LED特性研究

利用自行研制的InGaN GaNSQW蓝光LED芯片和YAG :Ge3 + 荧光粉制作了高亮度白光LED(Φ3) ,并对其发光强度、色度坐标、I V、色温及显色性等特性进行了研究 .实验结果表明 :室温下 ,正向电流为 2 0mA时 ,白光LED的轴向发光强度为 1 1～ 2 3cd ,正向电压小于 3 5V ,色度坐标为 (0 2 8,0 34) ,显色指数约为 70 .

In组分梯度渐变的n-i-p结构InGaN太阳能电池性能研究

为了优化InGaN太阳能电池结构并有效地指导实际电池的制备,研究了n-i-p(p层在下)In组分梯度渐变结构的InGaN太阳能电池的性能特征。通过APSYS软件模拟计算,对比采用p-i-n渐变结构(p层在上)和n-i-p渐变结构(p层在下)的InGaN太阳能电池的器件性能。结果表明,采用n-i-p渐变结构的InGaN电池,i-InGaN层在低In组分下没有明显的优势,而在高In组分下的器件性能较好。在In组分为0.62时,转换效率最高达到8.48%。分析表明,p层在下的n-i-p渐变结构使得InGaN电池的极化电场与耗尽区的内建电场方向一致,有利于载流子的输运。采用n-i-p渐变结构有利于制备高性能的InGaN太阳能电池。

大尺寸HVPE反应器托盘温度的数值模拟研究

对大尺寸氢化物气相外延(HVPE)反应器的流场和温场进行二维数值模拟研究,旨在提高托盘表面温度和温度分布均匀性。基准模拟显示,靠近喷头的加热器对托盘温度的影响大于底部加热器,随着加热器功率增大,温度分布均匀性变差。在基准模拟的基础上,提出在反应器底部设置隔热钼屏的托盘升温方法。优化后的模拟显示,托盘温度升高约48 K,而温度均匀性变化不大。在使用4层钼屏的基础上,通过在石墨托盘内部开圆柱槽,显著提高了托盘温度分布均匀性,并使温度进一步提升约5 K。

HVPE异质外延GaN的函数控制方法研究

提出新的生长控制方式"函数控制方法"并将其应用到HVPE异质外延GaN中。函数控制方法是指外延生长参数随时间按照特定函数变化来实现生长控制的方式。采用函数控制方法设计了两个实验方案,解决了HVPE获得GaN衬底面临的两个主要问题。1)异质外延高质量无裂纹GaN厚膜的实验方案:生长条件按照渐变函数变化保证了外延材料质量的稳定性和应力释放的均匀性,生长条件按照周期函数变化将材料的厚膜外延问题转化为薄膜外延问题。2)GaN厚膜的自分离实验方案:生长条件按照跃变函数变化实现了在外延材料特定位置形成弱连接层,生长条件按照渐变函数变化实现了弱连接层两侧出现较大应力差,这种应力差在生长结束后的降温过程中得到进一步放大,进而实现外延材料在弱连接层处的自分离。结合以上两个实验方案,成功获得无色透明表面平整光滑1 mm厚的高质量GaN衬底,证明了函数控制方法的有效性。借助于生长参数规律化的函数变化,函数控制方法建立了材料性质和数学函数之间的对应和联系,丰富和发展了材料的生长控制方式。

MOVPE生长m面GaN薄膜的表面吸附研究

采用基于密度泛函理论的Materials Studio中的CASTEP模块,对金属有机物气相外延MOVPE生长m面GaN薄膜的表面反应前体的吸附过程进行研究。针对吸附粒子GaCH_3和NH_3在m面GaN表面不同的初始吸附位,优化计算了GaCH_3和NH_3在表面的吸附能、与近邻原子的距离、态密度、电荷密度分布、电子布居。计算结果表明,GaCH_3在表面Ga brg2位优化之后的位置最稳定,吸附能最低,GaCH_3中的Ga原子与表面邻近的N原子、Ga原子分别形成Ga-N、Ga-Ga共价键。NH_3在表面N brg2位最稳定,吸附能最低,NH_3中的N原子与表面邻近的Ga原子形成N-Ga共价键。通过对比在最佳吸附位的MMG中的Ga原子和NH_3中的N原子与表面原子的电荷分布情况和布居数,证明上述吸附粒子与表面确实存在共价作用,形成共价键。

半导体GaN基蓝光发光二极管的精确电学特性

对传统的电容-电压(C-V)、电流-电压(I-V)测量方法和我们自建的表征方法测量得到的蓝光发光二极管(LED)正向特性的结果做了详细的对比分析,发现传统测量方法得到的电学参量是不够精确的。但是传统C-V方法得到的表观电容以及我们自建方法得到的结电容在大电压和低频率下都表现出了明显的负值,该实验结果与经典肖克莱理论相冲突。此外,我们精确地得到了负的结电容以及结电导随电压和频率变化的经验表达式。这将为半导体二极管的正向电学特性的理论研究提供实验基础。

金属有机化学气相沉积外延技术生长GaN基半导体发光二极管和激光二极管(Ⅰ)

文章评论性地介绍了金属有机化学气相外延技术(MOCVD)生长氮化物半导体GaN和InGaN以及激子局域化效应、量子束缚斯塔克效应对它们的光学性能的影响,详细比较了这两种效应对GaN基半导体发光二极管和激光二极管特性的影响,特别是量子束缚斯塔克效应以显著不同的方式影响着发光二极管和激光二极管的性能;文章还讨论了在A面蓝宝石衬底上生长GaN的情况.

MOCVD生长InGaN/GaN MQW紫光LED

利用LP MOCVD系统生长了InGaN/GaNMQW紫光LED外延片 ,双晶X射线衍射测试获得了 2级卫星峰 ,室温光致发光谱的峰值波长为 399 5nm ,FWHM为 15 5nm ,波长均匀性良好。制成的LED管芯 ,正向电流2 0mA时 ,工作电压在 4V以下。

GaN基LED电流扩展的有限元模型及电极结构优化

针对目前蓝宝石衬底上外延生长制备的GaN基半导体发光二极管(LED)器件存在电流分布不均匀的问题,建立了LED的电流扩展模型,提出了定量评价其特性的参数和标准。通过用有限元方法计算LED中电流的三维空间分布,对不同的电极结构进行了定量的比较,给出了优化的电极结构。计算结果显示,在相同工艺参数下,采用插指型电极结构的LED与采用传统型电极结构和扩展正极型电极结构的LED相比,电流扩展更均匀,串联电阻更小。在此基础上,对插指型电极结构作了进一步的参数优化,得出了使LED的串联电阻取最小值时的插指型电极的结构参数。根据优化得到的参数制作了相应的LED样品,并与采用扩展正极型电极结构的LED做了对比实验。实验结果表明,计算得出的结果与实验结果符合得很好。采用了优化后的插指型电极结构的LED与采用扩展正极型电极结构的LED相比,前者的串联电阻仅为后者的44.4%。