“新型半导体低维量子结构与器件”创新群体的最新研究成果

美国物理学会Physical Review Letters（PRL）期刊2018年10月5日在线发表了北京大学物理学院宽禁带半导体研究中心和“新型半导体低维量子结构与器件”创新群体的最新研究成果“Unambiguous Identification of Carbon Location on the N Site in Semi-insulating GaN”。

III族氮化物（又称GaN基）宽禁带半导体具有一系列优异的物理、化学性质，是发展半导体照明、新一代移动通信、新一代通用电源、新能源汽车、固态紫外光源等不可替代的新型半导体材料。掺杂调控是氮化物半导体材料和器件发展的关键科学和技术问题。通过C掺杂获得半绝缘GaN是当前研制GaN基电子器件的主流方法。但作为IV族元素，C杂质在GaN中具有两性特征，既可替代N原子，也可替代Ga原子，或者与其他杂质和缺陷形成复合体，使GaN中C的掺杂机理非常复杂，成为近年来氮化物半导体电子材料和器件领域关注的焦点问题之一，确定C杂质在GaN中的晶格位置对于解决上述问题至关重要。

由沈波教授领导的北京大学宽禁带半导体研究团队与其合作者近期在这一问题上取得了重要进展。该团队与中科院苏州纳米所和中国科技大学等合作单位采用红外光谱和拉曼光谱技术，克服了GaN中强烈的剩余射线带相关反射区导致的测量难题，实验中观察到半绝缘GaN中与C有关的两个局域振动模，并结合第一性原理计算，给出了C杂质在GaN中替代N位的直接证据，解决了这一长期存在的争议问题。该成果对于理解和认识C杂质在AlN、BN、ZnO等其他六方对称化合物半导体材料中的掺杂行为亦具有重要的参考价值。

不同偏振下的拉曼光谱

北京大学博士生吴珊为该论文的第一作者，杨学林、沈波为该论文的共同通讯作者。合作者包括中科院苏州纳米所的石林老师、徐科老师，北大工学院的张青老师，中国科技大学的戚泽明老师，以及北京大学宽禁带半导体研究中心的数位老师和同学。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、2011协同创新中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室等项目的资助。

氮化物半导体材料总体发展现况

在氮化物半导体的应用上，目前最为广泛的仍为GaN材料系统，可以说氮化物半导体的成功很大程度是奠基于LED产业的蓬勃发展，特别是在2014年诺贝尔物理奖颁给了中村修二(Shuji Nakamura)、赤崎勇(Akasaki Isamu)、天野浩(Hiroshi Amano)等三位日本科学家后，更加肯定了氮化物半导体对于产业与学术的贡献。然而除了LED之外，其他包括雷射二极体(Laser Diode)、功率元件(Power Electronics)、射频元件(RF Electronics)等之未来发展性均相当看好。Nitride近年的应用市场也逐渐由光学元件(Optical Devices)扩散到电子元件(Electrical Devices)，整个氮化物半导体的应用前景亦更加广泛。

另外一个受到重视的材料系统则为AlN，由于该材料具有更宽的能隙(＞6eV)，因此目前最看好的应用包括更高电压的功率元件以及(深)紫外光发光二极体(Deep Ultra-violet LED)与雷射二极体。即使目前功率元件碳化矽的价格已经大幅降低，市场仍尚未大量导入，可想而知，AlN的机会可能更加遥远。然而，因为AlN的能隙更大，因此相对容易制作成Semi-insulating晶片，加上与GaN的晶格系数差异小，能在GaN/AlN的结构上找到RF的应用机会。InN以长波长的红外光应用为主，但是因为能隙小，其材料特殊性低，且与Ge与SiGe的应用多有重叠，目前仍以InGaN磊晶作为光学元件的波长调整用磊晶制作为主，基板机会小。BN的晶体技术则相对不成熟，但有不少研究持续进行中，氮化物半导体与其他半导体材料之晶格常数与能隙比较如图一所示。

在元件的制作上，GaN仍为主要的基板材料，AlGaN则为主要的磊晶层结构，Al的掺杂使光学元件波长缩短，InGaN中In的掺杂则使光学元件波长增长，磊晶技术大多著墨于组成与结构对应晶格结构不匹配性(Lattice Mismatch)以及光学与电特性的调配。整体而言，就基板技术的成熟度与市场应用潜力而言，GaN与AlN较具潜力，尤以GaN的机会最为看好。

氮化物半导体与其他半导体材料之晶格常数与能隙