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。

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。

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 .

GaN-蓝宝石异质厚膜体系界面应力特性研究

考虑两条假设:a) 去除Stoney模型中膜厚远小于基底厚度的近似条件,考虑GaN膜的厚度和基底蓝宝石的厚度相当。b) 把GaN的膜厚考虑成非均匀的,随面内径向坐标r变化。在此两条假设基础上研究了GaN-蓝宝石异质厚膜体系的曲率和界面剪切应力,其中将GaN的膜厚取为坐标r的正弦函数,且研究了从系统中心到边缘膜厚的薄–厚–薄和厚–薄的两种变化模式,计算结果表明系统的曲率不再是常量而是随坐标r变化的变量,界面剪切应力在整个半径R范围内出现方向的转变,转变点正好对应曲率取极值的点,可见曲率对界面剪切应力有重要影响,根本原因来源于我们考虑了GaN膜厚的非均匀性。

GaN基紫光LED的可靠性研究

测量了GaN 基紫光 LED 的光功率(P)在不同工作电流和环境温度(室温和60℃)下随时间的变化,研究了 LED 的可靠性．结果表明,紫光 LED 的功率在前48h 内迅速衰减,而在48h 后衰减速率减慢；与光功率的衰减规律相对应,其 I-V 曲线的变化显示反向漏电流和正向小电压下的电流都有明显的增加．对载流子的输运机制的分析表明,在 LED 的工作过程中,缺陷提供的辅助电流通道使载流子的辐射复合几率降低,LED 光功率下降．

线形拟合在X射线衍射研究GaN薄膜材料结构时的必要性

利用高分辨X射线衍射仪(XRD)分析了长时间退火前后的GaN样品.通过对各个样品的(0002)面摇摆曲线进行线形拟合及分析,发现虽然退火后摇摆曲线的半峰宽变大,但面外倾斜角(tilt)的值却变小,从而螺型穿透位错(TD)密度变小,这与化学腐蚀实验的结果一致.我们的结果表明,线形拟合在利用XRD研究GaN薄膜材料结构的过程中是十分必要的,而不能用摇摆曲线的展宽直接表征TD密度.

人工LED光源在猪场养殖的应用研究

随着工业化养猪业的兴起和非洲猪瘟等疾病的发生,猪场空气、光照、温湿度等环境因素受到更多关注。但光照对猪的影响往往被忽视。其实光有很好的杀菌效果,而且光能影响动物的新陈代谢、日常行为、生长周期、繁殖性能等,与动物生长发育有直接关系。通常情况下,猪舍光照分为自然光照射和人工补光两种,随着猪场规模化发展及猪瘟的影响,大跨度、全封闭式猪舍越来越多,高密闭性猪舍光源基本依赖于舍内人工照明系统。如何利用LED人工光源调节猪的生长节律,提高生长速率,降低死亡成为行业关注热点。

GaN基半导体新热点:从半导体照明到功率电子器件

Ⅲ族氮化物(又称GaN基)宽禁带半导体属于新兴的第三代半导体体系,在短波长光电子器件和功率电子器件领域具有重大应用价值。过去10多年,以蓝光和白光LED为核心的半导体照明技术和产业飞速发展,形成了对国家经济和人民生活产生显著影响的高技术产业。近年来GaN基功率电子器件受到了学术界和产业界的高度重视,形成了新的研发和产业化热点。首先介绍了半导体照明技术和产业的发展历程和现状,分析了当前GaN基LED芯片技术面临的关键科学和技术问题;然后重点介绍了GaN基微波功率器件和电力电子器件的发展历程和动态,包括微波功率器件已经取得的突破性进展和产业化现状,电力电子器件相对Si和SiC同类器件的优势和劣势,并对GaN基功率电子器件当前面临的关键科学和技术挑战进行了较详细的分析。

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。

垂直电极结构GaN基发光二极管的研制

利用激光剥离技术(LLO)和晶片键合技术将GaN基发光二极管(LED)薄膜与蓝宝石衬底分离并转移到Si衬底上,高分辨X射线衍射(HRXRD)和阴极荧光谱(CL)结果表明激光剥离过程没有影响GaN量子阱的结构和光学性质,GaN和InGaN/GaN多量子阱的发光峰都呈现红移,这都来源于去除蓝宝石后薄膜中应力的释放.采用金属In和Pd的合金化键合过程解决了GaN材料与Si衬底的结合问题,结合逐个芯片剥离和键合的方式实现了GaN大面积均匀转移.成功研制了激光剥离垂直电极结构的GaN基LED,L-I测试特性表明器件的热饱和电流和出光功率都有很大的提高.

LED照亮世界——2014年度诺贝尔物理学奖介绍

三位科学家共享2014年诺贝尔物理奖,表彰他们发明蓝色发光二极管.这项发明引发了固体照明革命,LED正在照亮我们的世界,造福于全人类.本文追溯了氮化镓材料和蓝色发光二极管的发展历史,回顾了重要的历史事件.III簇氮化物是直接带隙半导体材料,发光范围紫外到红外,覆盖整个可见光区,是理想的光电器件材料.同时,具有优越的物理性质,在高温、高能、高频微波器件以及高压电子电力器件都有广泛的应用.

GaN厚膜翘曲应力特性

基于GaN厚膜在蓝宝石基底上外延生长过程中膜厚方向的晶格常数从界面到膜表面呈现弛豫特征的实验结果,建立了一个描述膜厚方向的正应变的力学模型,称为"弛豫模型",进而计算和讨论了GaN膜边缘处的应力和应变沿膜厚方向的变化,GaN和基底界面处的应力在面内的变化以及中心处的应力和应变沿膜厚方向的变化.

GaN/AlGaN超晶格透射电镜分析

用MOCVD法生长了120周期的GaN/Al0.14Ga0.86N超晶格,激光剥离技术被有效地用于GaN/AlGaN超晶格截面透射电镜样品的制作.用透射电子显微镜观察到了清晰的超晶格及晶胞周期结构,电子衍射也表明生长的超晶格样品质量较好.在透射电镜图中看到了Al,Ga原子的聚居点,这些聚居点达到应力临界时将可能成为新缺陷的起点.同时观察到GaN缓冲层中的线缺陷大多呈现弯曲的弧形,这是外延生长导致的.

量子阱结构对GaN基紫光二极管性能的影响

采用不同MQW结构在MOCVD系统上生长UV-LED外延片。对样品进行了X射线衍射、电注入发光(EL)和光致发光谱(PL)测试,通过优化LED器件材料的生长条件,获得了光发光特性一般而电发光特性优良的高质量多量子阱紫光LED外延片。

GaN基激光器多量子阱结构的性能表征与结构优化

研究了包括四元合金在内的三种多量子阱结构,对以此为有源层的激光器进行了性能表征和比较分析.通过对阈值电流和外微分量子效率的测量以及增益分布的模拟分析,证实了四元合金用于量子阱结构生长对提高激光器性能的作用.此外对优化的量子阱结构激光器的漏电流和增益饱和带来的影响进行了研究.

GaN基激光器电子阻挡层的优化分析

从载流子输运机制的角度,分析了影响GaN基激光器中有源区电流溢出的因素,对AlGaN电子阻挡层中Al组分和p型掺杂水平进行了优化.结果表明,当p型掺杂水平增高时,所需要的势垒高度减小,即Al组分减小.

退火对Mg离子注入p-GaN薄膜性能的影响

在用 MOCVD 方法生长的 p-GaN 薄膜中注入 Mg 离子,然后在 N_2气氛下在850～1150℃之间快速退火,研究了 Mg^+离子注入后样品退火前后的结构、光学和电学性质．结果表明,离子注入使 GaN 晶体沿着 a 轴和 c 轴方向同时膨胀．在离子注入后的 p-GaN 薄膜的拉曼散射谱中出现波数为300 cm^(-1)和360 cm^(-1)两个新峰,其强度随着退火温度而变化．这两个新峰分别对应于布里渊区边界的最高声学声子支的振动模式和局域振动模式．消除这两个损伤引起的峰的临界温度是不同的．注入剂量1×10^(14)cm^(-2)是一个临界值,对于注入剂量高于这个临界值的样品,高温退火不能使其晶体质量全部恢复．

不同LED光配比对红绿线椒果实品质的影响

为更好地提升线椒品质,以“满分107”线椒为试材,在水培条件下,设置了红蓝绿比为4∶1∶1(4R1B1G)、红蓝紫比为4∶1∶1(4R1B1P)和红蓝白比为4∶1∶1(4R1B1W),测定分析了3种光配比下红线椒和绿线椒果实品质情况,研究不同光配比对红线椒和绿线椒果实品质的影响,分别对红、绿线椒果实中VC、可溶性蛋白含量、POD、CAT活力等品质指标进行对比分析。结果表明:紫光的存在增加绿辣椒VC和可溶性蛋白含量,但会降低红辣椒的VC和可溶性蛋白含量,同时降低红绿线椒的POD活力。绿光的补充会提高红、绿线椒CAT活力。红、绿线椒果实中VC、可溶性蛋白、POD和CAT活力受到光配比影响存在差异,所以在种植补光过程中,应按需选用。