第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高等優(yōu)越性質(zhì)。其在紫外器件中具備其他半導(dǎo)體材料難以比擬的優(yōu)勢，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。隨著環(huán)保及公共安全等領(lǐng)域的需求升級，固態(tài)紫外技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景。氮化物半導(dǎo)體涉及藍/白光LED、紫外LED，微波射頻器件、功率電子器件等諸多應(yīng)用，比如深紫外光源已用于日常生活、生產(chǎn)科研、國土安全等領(lǐng)域。
2023年2月7-10日，開年盛會，第八屆國際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS）&第十九屆中國國際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA）于蘇州勝利召開。 期間，“固態(tài)紫外材料與器件技術(shù)分論壇“在廈門大學(xué)康俊勇教授和中科院半導(dǎo)體所閆建昌研究員的主持下如期召開。
主持人：廈門大學(xué)康俊勇教授
主持人：中科院半導(dǎo)體所閆建昌研究員
該論壇由山西中科潞安紫外光電科技有限公司、蘇州思體爾軟件科技有限公司協(xié)辦支持。日本三重大學(xué)教授三宅秀人，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院周玉剛教授，廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長黃凱教授，復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院光源與照明工程系崔旭高副教授，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所司志偉，美國Bolb Inc.董事長兼首席技術(shù)官張劍平博士，中科院長春光機所孫曉娟研究員，鄭州大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授、科技部電子材料與系統(tǒng)國家級國際聯(lián)合研究中心主任、河南省電子材料與系統(tǒng)國際聯(lián)合實驗室主任劉玉懷教授，中科院寧波材料所張文瑞研究員，湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院黎明鍇教授，廈門大學(xué)高娜副教授，蘇州思體爾軟件科技有限公司技術(shù)支持工程師茅艷琳，華中科技大學(xué)鄭志華等圍繞固態(tài)紫外材料與器件前沿技術(shù)進展及創(chuàng)新應(yīng)用分享主題研究報告。
日本三重大學(xué)三宅秀人教授 做了題為“在面對面退火AlN/藍寶石模板上制備265nm AlGaN LED”的主題報告。報告UV-C LED的應(yīng)用與現(xiàn)狀和面對面退火濺射沉積AlN模板（FFA Sp AlN）。FFA-Sp-AlN中位錯的減少，F(xiàn)FA-Sp-AlN中位錯的表征，107cm-2位錯密度AlN模板的制備，F(xiàn)FA-Sp AlN上AlGaN的MOVPE生長及UV-C LED的制備；抑制小丘和改善表面形態(tài)，TDD和表面平整度對UV-C LED EQE的影響。
南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授周玉剛做了題為”提高AlGaN基DUV-LED效率的薄p-GaN上的銀基鏤空反射電極“的主題報告，結(jié)合研究數(shù)據(jù)與結(jié)果，報告指出Ag納米點/Al作為p電極可以顯著改善具有薄p-GaN覆蓋層的DUV LED的LOP。然而，鈍化后接觸不穩(wěn)定，LOP和WPE急劇下降。LOP降低涉及對于薄p-GaN，接觸勢壘高度的輕微增加將增強p-GaN的耗盡，導(dǎo)致空穴注入效率的降低。鈍化后，40nm Ag/TiAl LED的WPE是40nm Ag/Al LED的1.475倍200nm Ag/TiAl發(fā)光二極管的1.38倍。Ag納米點/TiAl接觸是穩(wěn)定的。Ti用作良好的擴散阻擋層。DUV LED用薄p-GaN上的圖案化/中空反射電極的進一步優(yōu)化正在進行中。
氧化鎵材料體系的器件越來越受到廣泛的研究和關(guān)注，主要涉及功率器件、光電子器件等。廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長黃凱教授做了題為”Ga2O3/GaN 異質(zhì)結(jié)紫外探測器光電特性研究“的主題報告，分享了Ga2O3/GaN異質(zhì)結(jié)的波段可調(diào)-超窄帶響應(yīng)紫外探測器、Rh納米顆粒提升日盲紫外探測器性能研究、高響應(yīng)度Ga2O3/GaN核殼納米柱結(jié)構(gòu)紫外探測器的研究進展。報告指出，利用熱氧化法獲得Ga2O3/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)并制備成功MSM紫外光電探測器；Ga2O3/GaN異質(zhì)結(jié)光電探測器表現(xiàn)出可利用偏壓調(diào)制光電響應(yīng)譜的特性；利用Rh納米顆粒陣列修飾提高了探測器的日盲波段光電響應(yīng)特性；利用微/納米柱陣列增強了探測器件的近紫外光電響應(yīng)特性。
復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授崔旭高做了題為”深紫外micro-LEDs的效率尺寸效應(yīng)及其應(yīng)用“的主題報告，分享了UV-C micro-LED的尺寸效應(yīng)、UV-C micro-LED高效通信、UV-C micro-LED發(fā)光探測的研究進展，報告指出深紫外LED發(fā)光效率仍需要得到提高，以便滿 足這些領(lǐng)域的需求。優(yōu)化LED的尺寸，更大的光提取效率，進而得到更高的外量子效率。在未來，通過研究側(cè)壁缺陷、側(cè)壁面積比、側(cè)壁傾角對量子效率影響，研究側(cè)壁載流子復(fù)合機制。利用TM模面內(nèi)傳播特性，可以在環(huán)形側(cè)壁形成回音壁諧振腔（whispering gallery mode），研究微腔UVC激光器。
WG 、 PC，半導(dǎo)體光學(xué)微腔廣泛應(yīng)用于通信、傳感、量子。中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所司志偉做了題為”室溫紫外GaN微碟激光器“的主題報告，GaN異質(zhì)生長產(chǎn)生失配缺陷是目前的關(guān)鍵問題，報告分享了氮化鎵微碟研究進展與結(jié)果，研究利用同質(zhì)襯底上形核獲得無應(yīng)力、低位錯密度、形貌規(guī)則的氮化鎵微碟；首次利用助熔劑法制備了紫外激射的氮化鎵微碟，光泵激發(fā)閾值為0.08 mW，Q值~1278，為微碟激光器制備提供了新方法；室溫紫外激射行為出現(xiàn)和微碟六個側(cè)面對光的限制實現(xiàn)全反射、低的深能級缺陷、低的應(yīng)力以及低的表面粗糙度有關(guān)；解釋了近閾值條件下受激輻射相對自發(fā)輻射紅移現(xiàn)象，室溫下弱束縛激子和高激發(fā)功率下庫侖屏蔽效應(yīng)( EHP機制)；進一步控制雜質(zhì)摻入、降低缺陷，從而改善GaN微盤的光學(xué)質(zhì)量；進一步調(diào)節(jié)生長時間、優(yōu)化Ga/Na比值，控制生長形貌/尺寸/表面粗糙度，對實現(xiàn)更高品質(zhì)因子(Q)和易激射微碟激光器具有重要作用。報告指出，下一步，對光場模擬進一步優(yōu)化，精確判斷光學(xué)模式。
美國Bolb Inc.董事長兼首席技術(shù)官張劍平做了題為“透明紫外C波段發(fā)光二極管的光提取效率和性能”的線上主題報告。綜述了Bolb 公司深紫外（265-275 nm）LED產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)水平。歸因于采取了透明外延結(jié)構(gòu)，研發(fā)成功的269納米深紫外LED在350毫安下光功率輸出達到了213毫瓦，對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換效率高達8.8%。量產(chǎn)型270納米深紫外LED一般在250毫安下光功率為100毫瓦左右，對應(yīng)的光電效率～7%。進一步報道了一種基于載流子復(fù)合模型，即ABC模型，來提取LED取光效率和內(nèi)量子效率的新方法。運用這個方法分析LED的功率-電流-結(jié)溫數(shù)據(jù)，可以拆解LED的外量子效率，從而得到其內(nèi)量子效率和取光效率。運用該方法，該公司的研發(fā)型深紫外LED的取光效率為16-17%，峰值內(nèi)量子效率在82%左右；生產(chǎn)型深紫外LED的取光效率一般在 11%-14%，峰值內(nèi)量子效率在70-80%。由此可見，目前制約深紫外LED光電轉(zhuǎn)換效率的主要因素是取光效率。我們拆解LED取光效率的新方法由此可以為各種深紫外LED的光電轉(zhuǎn)換效率提升技術(shù)提供重要的實驗指導(dǎo)。基于載流子復(fù)合，進一步推出了一個LED壽命的數(shù)學(xué)模型。LED壽命主要由兩大因素制約：初始缺陷密度和缺陷增值的復(fù)合利率。其中，初始缺陷密度由缺陷激活能和結(jié)溫共同決定，缺陷增值復(fù)合利率正比于電流密度的平方。該壽命模型完美擬合了3000，5000，和長達10000小時的深紫外LED的壽命測試數(shù)據(jù)，能夠準確預(yù)測LED壽命表現(xiàn)。根據(jù)我們的測試和模擬，BOLB公司的深紫外LED在室溫250毫安驅(qū)動下的L70壽命在1-10萬小時區(qū)間。
中科院長春光機所研究員孫曉娟做了題為”氮化物范德華外延：基底構(gòu)建、多性能控制和紫外光電器件應(yīng)用“的主題報告，分享了基于石墨烯復(fù)合基底構(gòu)建與成核調(diào)控，基于二硫化鉬的氮化物范德華外延極性調(diào)控，基于金屬襯底的氮化物范德華外延的研究成果。報告指出，提出英寸級二維材料的原位生長和調(diào)控方法，為氮化物范德華外延的批量化生產(chǎn)延奠定襯底基礎(chǔ)；基于MOCVD高溫NH3處理，實現(xiàn)石墨烯的原位N原子摻雜，調(diào)控氮化物成核生長特性，進而優(yōu)化外延層晶體質(zhì)量；以MoS2作為插入層，實現(xiàn)高質(zhì)量N極性氮化物的范德華外延，刃位錯密度降低約一個量級，極化場調(diào)控的紫外光電探測器響應(yīng)度顯著提高；實現(xiàn)了多晶金屬襯底上具有c擇優(yōu)取向的氮化物范德華外延，外延層具有優(yōu)異的散熱特性。
鄭州大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授、科技部電子材料與系統(tǒng)國家級國際聯(lián)合研究中心主任、河南省電子材料與系統(tǒng)國際聯(lián)合實驗室主任劉玉懷做了題為”AlGaN基深紫外發(fā)光器件設(shè)計與仿真研究“的主題報告，目前，實現(xiàn)DUV LD最重要的挑戰(zhàn)是實現(xiàn)低于10kA/cm2的注入電流密度，結(jié)合研究結(jié)果，研究指出WG分級誘導(dǎo)體極化電荷，這補償了誘導(dǎo)的極化電場，并抑制了NW LD有源區(qū)的場泄漏。QBs厚度增加，抑制了NW LD的MQW電子泄漏。n-Cl和n-WG的分級用于提高薄膜LD的OCF、增益和功率。對于AlGaN NW LED，無EBL的分級HSL有效地阻止了電子溢出，并有效地增強了向MQW的空穴注入。AlInN超晶格EBL在MQW內(nèi)提供了優(yōu)異的電子空穴重疊，結(jié)果為AlGaN LED獲得了顯著更高的IQE和發(fā)射功率。
中科院寧波材料所研究員張文瑞帶來了題為”微米級氧化鎵厚膜的載流子定向輸運與深紫外光電探測“的主題報告，分享了Ga2O3薄膜的相位控制、具有精細厚度控制的異質(zhì)外延ε-Ga2O3薄膜、ε-Ga2O3薄膜的光學(xué)吸收、厚度相關(guān)光電流、動態(tài)光響應(yīng)、缺陷隨厚度演變的深度剖面XPS分析、厚區(qū)域輔助的定向載流子輸運等研究進展和成果。
湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授黎明鍇做了題為”P型SnO2及其同質(zhì)pn結(jié)UV光電探測器的制備“的主題報告，分享了最新研究進展，研究結(jié)果顯示，通過Hf摻雜降低了SnO2的氧空位，極大改善了持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)；Hf0.38Sn0.62O2光電探測器，截止波長<290 nm，響應(yīng)速度~50 ms，暗電流~0.5 pA；通過兩步法進行Mg摻雜SnO2，實現(xiàn)了p型SnO2外延薄膜；制備了SnO2同質(zhì)pn結(jié)型紫外光電探測器，0偏壓自驅(qū)動條件下光響應(yīng)速度達到0.5 ms；未來實現(xiàn)Hf摻雜SnO2的p型與n型摻雜，以實現(xiàn)對日盲紫外光的高速探測。
廈門大學(xué)副教授高娜帶來了題為”基于AlN/GaN超短周期超晶格的深紫外短波光發(fā)射調(diào)控“的主題報告，分享了精細多晶面調(diào)控倒棱錐臺增強234 nm深紫外光發(fā)射，應(yīng)力工程調(diào)控短至220 nm波長深紫外光發(fā)射的研究進展與成果。研究顯示，采用(AlN)8/(GaN)2 超短周期超晶格，解決傳統(tǒng)高Al組分AlGaN量子結(jié)構(gòu)所面臨的光學(xué)各向異性問題；引入新型多晶面調(diào)控的倒棱錐臺納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)234 nm光提取5.6倍、整體發(fā)光近2倍的增強；通過施加壓應(yīng)力調(diào)控禁帶寬度，實現(xiàn)短至220 nm波長的深紫外光發(fā)射，超越了平面短周期超晶格結(jié)構(gòu)及傳統(tǒng)同組分AlGaN三元混晶。
蘇州思體爾軟件科技有限公司技術(shù)支持工程師茅艷琳做了題為”深紫外LED仿真設(shè)計及操作關(guān)鍵技術(shù)進展“的主題報告，報告介紹了芯片設(shè)計優(yōu)化，優(yōu)化金屬接觸以實現(xiàn)更高的反射，用隧道結(jié)消除p-GaN接觸層等研究成果。研究顯示，與大型芯片相比，使用30µmµLED陣列可以提高電流分布和溫度的均勻性。結(jié)溫度顯著降低，而表面復(fù)合造成的損耗是可接受的（低電流時為10%，高電流時為2%）。電極材料的選擇是至關(guān)重要的，因為除鋁外，大多數(shù)傳統(tǒng)金屬的紫外反射率都很低。消除具有高UV吸收的p-GaN層對于改善LEE至關(guān)重要。特別是，由于吸收從104 cm-1減少到103 cm-1，預(yù)計LEE將從15%增加1.5倍至22%。AlGaN/InGaN/AlGaN隧道結(jié)的使用預(yù)計能夠以0.1-0.3V的額外電壓降為代價通過103-104A/cm-1的電流密度。
華中科技大學(xué)鄭志華做了題為”深紫外光電器件的光場調(diào)控研究“的主題報告，分享了深紫外發(fā)光器件、紫外光電探測器的研究進展與成果，研究提出了雙層NPA DUV LED器件結(jié)構(gòu)，可以更好地將器件內(nèi)部原本被損耗的光提取出來。與平面器件相比，實現(xiàn)了28.3%的光輸出功率（LOP）提升。結(jié)合PEDOT: PSS透明有機電極與高質(zhì)量氧化鎵單晶微米線構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，具有優(yōu)異的整流特性（~106），器件在自供電狀態(tài)下實現(xiàn)了短至530μs的上升速度τ1，39.8mA/W響應(yīng)度，以及良好的穩(wěn)定性。通過電化學(xué)刻蝕制備Nanoporous AlGaN結(jié)構(gòu)，紫外波段的反射率極大降低。進一步氧化后制備的MSM器件的暗電流下降至fA，光譜響應(yīng)藍移，增強的表面光場也帶來了響應(yīng)度的提升。
論壇現(xiàn)場
