半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)獲悉：近期，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所照明研發(fā)中心與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)北卡大學(xué)、北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心、福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)合作，在氮化物材料生長(zhǎng)界面生長(zhǎng)過(guò)程研究上取得新進(jìn)展。
該研究成果以“MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的AlN材料自發(fā)極性反轉(zhuǎn)原子機(jī)理（Atomic-Scale Mechanism of Spontaneous Polarity Inversion in AlN on Nonpolar Sapphire Substrate Grown by MOCVD ）”為題，于2022年2月10日在線發(fā)表于Small期刊（DOI: 10.1002/smll.202200057），并被選為期刊封面，編輯推薦入選“Hot Topic: Surfacesand Interfaces”。中科院半導(dǎo)體所劉志強(qiáng)研究員為本文第一作者，北京大學(xué)高鵬教授、中科院半導(dǎo)體所楊身園副研究員，北卡大學(xué)張勇教授，中科院半導(dǎo)體所劉志強(qiáng)研究員為本文共同通訊作者。
研究團(tuán)隊(duì)表示，氮化物半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體照明、全彩顯示、電力電子等器件的核心基礎(chǔ)材料，在其已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的今天，氮化物材料生長(zhǎng)界面研究仍具有重要的科學(xué)意義，日久彌新。同時(shí)，“界面即器件”，界面是器件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是材料生長(zhǎng)控制的核心。上個(gè)世紀(jì)80年代，日本科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了氮化物材料外延，然而30余年時(shí)間里，生長(zhǎng)界面仍存在大量學(xué)術(shù)爭(zhēng)議，傳統(tǒng)“由表面推測(cè)界面”的研究方法常常引起錯(cuò)誤的認(rèn)知，例如：1、異質(zhì)界面的精確原子構(gòu)型仍不清晰；2、由于缺乏反演對(duì)稱性，原則上講，非極性襯底（c面藍(lán)寶石）上MOCVD外延的氮化物，金屬極性（Al極性、Ga極性）或N極性均可以出現(xiàn)，但是氮化物（MOCVD生長(zhǎng)）的表面呈現(xiàn)高度一致的金屬極性，迄今氮化物的極性選擇機(jī)制尚未明確，氮化物極性是否繼承于生長(zhǎng)界面，并維持恒定？3、氮化物材料極高的位錯(cuò)密度是否僅僅源自界面晶格失配和熱失配？
該項(xiàng)成果為解決上述學(xué)術(shù)爭(zhēng)議提供了直接證據(jù)，澄清了氮化物生長(zhǎng)初始界面晶格堆疊次序上的認(rèn)知混淆。
該項(xiàng)成果為解決上述學(xué)術(shù)爭(zhēng)議提供了直接證據(jù)，澄清了氮化物生長(zhǎng)初始界面晶格堆疊次序上的認(rèn)知混淆。
圖1. 氮化物生長(zhǎng)界面自發(fā)極化翻轉(zhuǎn)
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)MOCVD在藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的氮化物材料，晶格排布并不是直接繼承于氮化物/藍(lán)寶石界面，而是在生長(zhǎng)過(guò)程中經(jīng)歷了自發(fā)的極性反轉(zhuǎn)。初始生長(zhǎng)階段，氮化物傾向于呈現(xiàn)氮極性，而不是此前被廣泛接受的金屬極性。在表面能的各向異性的驅(qū)動(dòng)下，極性逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘贅O性，伴隨著大量極性翻轉(zhuǎn)晶界的形成，對(duì)后續(xù)生長(zhǎng)產(chǎn)生重要影響。
圖2. AlN外延層極性表征結(jié)果。a) AlN/藍(lán)寶石界面的HAADF-STEM圖像。氮化物呈N極性；b)靠近AlN頂層表面的HAADF-STEM圖像，氮化物呈Al極性；c) KOH腐蝕AlN表面的形貌，六邊形的V形坑表明表面呈金屬極性。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)第一性原理計(jì)算，揭示了藍(lán)寶石襯底表面氮化的最穩(wěn)定原子構(gòu)型及界面生長(zhǎng)前端（圖3）。隨后，通過(guò)原子級(jí)界面表征確認(rèn)了襯底氮化及后續(xù)生長(zhǎng)的原子構(gòu)型，發(fā)現(xiàn)襯底表面的由高/低位Al引起的周期性起伏，會(huì)導(dǎo)致氮化物c面原子間距經(jīng)歷從拉伸狀態(tài)逐漸變化至正常的生長(zhǎng)模式的轉(zhuǎn)換（圖4）。結(jié)合密度泛函理論，研究人員建立了界面氮化及緩沖層生長(zhǎng)的原子級(jí)堆疊過(guò)程：N原子與低位Al原子成鍵→高位Al填充→Al原子與N原子成鍵→鋸齒狀zigzag結(jié)構(gòu)形成。證實(shí)了該原子沉積過(guò)渡區(qū)是三斜體系到六方體系的轉(zhuǎn)變區(qū)域。
圖3. 藍(lán)寶石襯底表面并入原子的第一性原理計(jì)算。a) 藍(lán)寶石原子排列和堆疊順序；b) 構(gòu)型1，氮原子以氮極性排列與低位鋁成鍵；c) 構(gòu)型2，氮原子以鋁極性排列與低位鋁成鍵；d) 鋁原子占據(jù)高位鋁原子位點(diǎn)；e) 氮原子與低位鋁原子成鍵；f) 氮化前后藍(lán)寶石表面C1s XPS光譜。g) Al2p XPS光譜的光譜表明Al-N鍵的形成。
離開(kāi)異質(zhì)界面后，氮化物晶格將通過(guò)極性翻轉(zhuǎn)晶界（IDBs），自發(fā)的實(shí)現(xiàn)從N極性向金屬極性的翻轉(zhuǎn)。通過(guò)積分差分相位襯度掃描透射電鏡技術(shù)（iDPC -STEM），研究團(tuán)隊(duì)指認(rèn)了極性翻轉(zhuǎn)晶疇具有八重配位和四重配位結(jié)構(gòu)（圖4）。同時(shí)，自發(fā)極性反轉(zhuǎn)傾向于發(fā)生在(10-10)面，而不是通常認(rèn)為的(0001)面。此外，由于IDBs晶格對(duì)稱性的打破，IDBs區(qū)域?qū)⑿纬裳豤軸的二維電子氣（2DEG），該導(dǎo)電通道有可能是氮化物電子器件高壓擊穿的一個(gè)潛在原因。
圖4. AlN/藍(lán)寶石界面原子結(jié)構(gòu)。a) AlN/藍(lán)寶石界面處的HAADF-STEM圖像。界面上出現(xiàn)了原子步長(zhǎng)和周期性的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，顯示出失配位錯(cuò)陣列；b) AlN/藍(lán)寶石界面IFFT圖像。插圖是圖a)的FFT結(jié)果；c) 界面處AlN的c面晶格間距的定量測(cè)量結(jié)果，由于藍(lán)寶石中Al原子的晶格失配和特殊的原子配位，導(dǎo)致第1層Al-N層原子間距最大，從而導(dǎo)致平面內(nèi)晶格的收縮。氮化物/藍(lán)寶石界面的原子級(jí)生長(zhǎng)過(guò)程示意：d) 原始藍(lán)寶石表面的原子構(gòu)型，低鋁位被占據(jù)；e) 氮化過(guò)程中氮原子與低位Al成鍵；f) 高位Al位點(diǎn)的占據(jù)；g) 在AlN/藍(lán)寶石界面形成的氮化物生長(zhǎng)前端；h) 生長(zhǎng)逐漸演變?yōu)檎５锷L(zhǎng)模式。
圖5. IDBs原子排列的STEM截面圖。a) IDB原子分辨iDPC圖像，極性反轉(zhuǎn)發(fā)生在(10-10)面并呈階梯狀；極性反轉(zhuǎn)區(qū)域兩側(cè)b) Al-polar和c) N-polar AlN晶格iDPC圖像；d) IDB區(qū)域的iDPC圖像及疊加的原子模型，在邊界處出現(xiàn)了八重鍵和四重鍵；e) IDBs區(qū)域下側(cè)的iDPC圖像，表明Al極區(qū)和N極區(qū)重疊。f) IDBs區(qū)域沿[10-10]方向的平面平均靜電勢(shì)(藍(lán)色)和總電荷密度(紅色)分布；g) IDBs處的電荷差分密度分布圖。黃色表示電子聚集，青色表示電子耗盡，在極反轉(zhuǎn)界面可以觀察到一個(gè)明顯的電子耗竭，因此，產(chǎn)生了帶正電荷的二維空間區(qū)域。
圖6. 界面晶格畸變定量分析。
該工作回答了氮化物MOCVD“異質(zhì)界面構(gòu)型和原子級(jí)沉積過(guò)程”這一科學(xué)問(wèn)題；闡明了氮化物晶格極性選擇和演進(jìn)機(jī)制；證實(shí)了除晶格失配和熱失配之外，自然存在的IDBs是氮化物高位錯(cuò)密度的另一重要起因；該工作將為新型極性異質(zhì)結(jié)體系的發(fā)展提供理論指導(dǎo)，同時(shí)為提高氮化物外延材料的質(zhì)量、優(yōu)化大功率及高頻器件的擊穿特性提供全新的思路和優(yōu)化方向。
并且，該項(xiàng)研究工作受到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目、中科院半導(dǎo)體所青年人才項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。
來(lái)源：中科院半導(dǎo)體所
