【儀表網 儀表研發(fā)】中國科學院半導體研究所研究員劉志強等與北京大學、北京石墨烯研究院等單位合作，在氮化物外延及熱電能源器件領域取得系列研究進展，驗證了氮化物異質異構單晶外延的可行性，提出了氮化物位錯控制新思路，拓展了氮化物在高溫熱電領域的應用。相關成果分別以Continuous Single-Crystalline GaN Film Grown on WS2-Glass Wafer、Atomic Mechanism of Strain Alleviation and Dislocation Reduction in Highly Mismatched Remote Heteroepitaxy Using a Graphene Interlayer、Graphene-Assisted Epitaxy of High-Quality GaN Films on GaN Templates、High Power Efficiency Nitrides Thermoelectric Device為題，在線發(fā)表在Small、Nano Letters、Advanced Optical Materials、Nano Energy上。
 

　　實現不依賴于襯底晶格的氮化物材料外延，有望突破襯底限制，融合寬禁帶半導體材料與其他半導體材料的性能優(yōu)勢，為器件設計提供新的自由度。研究團隊于2021年利用石墨烯二維晶體作為緩沖層，借助納米柱等底層微納結構，實現了非晶襯底上的氮化物準單晶薄膜的異質異構外延。近期，研究團隊在該領域取得進展，利用與氮化物晶格匹配的過渡金屬硫化物為緩沖層，構筑人工生長界面，實現了非晶玻璃晶圓上的單晶薄膜制備，并實現了紫外發(fā)光器件的制備。該項工作以非晶襯底這一極端情況，驗證了氮化物異質異構單晶外延的可行性。
 

　　刃位錯是氮化物材料中的代表性缺陷類型，與另外一種典型缺陷——螺位錯相比，通常情況下其濃度要高一個數量級。刃位錯對氮化物發(fā)光、電子器件的性能均會產生重要影響。由于氮化物與異質襯底之間固有的晶格失配，刃位錯的有效抑制手段非常有限。近期，研究團隊采用遠程外延，實現了氮化物外延層中刃位錯的有效降低，在原子尺度上研究了應力釋放和位錯密度降低的物理機制。研究發(fā)現無極性的石墨烯緩沖層可以削弱源于襯底的晶格勢場，使得外延層能夠在晶體取向得到控制的同時，其晶格也能相對自由地生長。因此，異質外延中晶格失配引起的應力得到了釋放，外延層刃位錯密度降低近一個數量級。在這種低應力的GaN模板上，研究人員成功制備了高In組份的InGaN/GaN量子阱，實現了黃光波段LED器件。
 

　　氮化物材料由于生長方法的限制具有高密度的穿透位錯，這些穿透位錯會充當非輻射復合中心和漏電通道，對氮化物基光電器件和電力電子器件的性能有嚴重的負面影響。近期，研究團隊采用二維材料石墨烯輔助外延的方法，實現了低應力、低位錯密度的高質量GaN薄膜的外延生長，并揭示了石墨烯在界面處降低外延層中穿透位錯密度的機制。研究發(fā)現石墨烯可以部分屏蔽襯底勢場，襯底勢場實現界面晶格調控的同時，其表面勢場波動一定程度被削弱。因此外延層可以通過原子滑移釋放部分應力，實現應力的自發(fā)馳豫。引入石墨烯二維晶體后，GaN模板中因穿透位錯導致的晶格畸變在外延界面得以恢復，表現為石墨烯在界面處阻擋了穿透位錯向上的擴散，因此獲得了比相同襯底同質外延位錯密度更低的GaN薄膜。
 

　　能源是社會經濟發(fā)展永恒的主題，工業(yè)生產中消耗化石燃料產生能量的約70%以廢熱的形式被排放。熱電轉換技術能夠可逆地將廢熱轉換成電能，在提高能源利用效率和回收廢棄能源方面具有重要的意義。與此同時，熱電器件在太空等極端環(huán)境下具有重要的應用，熱電發(fā)電機是旅行者2號的唯一能量來源，目前已經連續(xù)工作40余年。然而，傳統(tǒng)的窄禁帶半導體材料存在高溫下少數載流子激發(fā)導致的溫差電動勢抑制效應，工作溫度較低。以GaN為代表的III族氮化物具有較大的禁帶寬度、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、高的抗輻射強度，同時易實現可控調制的合金和異質結結構，在高溫熱電方面展現出巨大的應用潛力。由于決定熱電性能的塞貝克系數S、電導率σ、熱導率k之間相互耦合和制約的關系，合理設計材料結構、采取最優(yōu)化方案提高ZT值，一直是熱電研究的重要課題。研究團隊探索了合金化和低維超晶格結構對載流子和聲子輸運的調控作用，實現了電子、聲子輸運的有效解耦，成功制備了熱電器件。ZT值優(yōu)于同類器件的文獻報道。該工作拓展了III族氮化物在熱電方面的應用，提供了一種非常有前途的高溫熱電器件解決方案。
 

圖1 WS2-玻璃晶圓上單晶GaN薄膜的生長
 

　　圖2 WS2-玻璃晶圓上的AlxGa1-xN成核及單晶GaN薄膜生長。(a) 低溫AlxGa1-xN成核后WS2的拉曼光譜；(b) 拉曼測試點的示意圖；(c) 成核生長后AlxGa1-xN/WS2/玻璃界面的HADDF圖像；(d) AlxGa1-xN/WS2/玻璃界面的HADDF圖像及對應的Ga、O、S和W元素的EDS面掃圖像；(e) 薄膜生長后AlxGa1-xN/WS2/玻璃界面的高分辨TEM圖像；(f) 薄膜生長后AlxGa1-xN/WS2/玻璃界面的HADDF圖像；(g) 界面附近GaN的iDPC圖像
 

　　圖3 基于石墨烯的遠程異質外延與傳統(tǒng)異質外延的界面對比。(a) AlGaN/藍寶石界面的原子結構和GPA exx圖像；(b) AlGaN/石墨烯/藍寶石界面的原子結構和GPA exx圖像；(c) 有無石墨烯時界面處氮化物與藍寶石襯底的面內晶格失配對比；(d) 有無石墨烯時界面處氮化物與藍寶石襯底的面外晶格失配對比；(e) 無石墨烯時氮化物在藍寶石臺階上的原子排列；(f) 有石墨烯時氮化物在藍寶石臺階上的原子排列；(g) 無石墨烯時靠近臺階處沿面外方向的氮化物原子偏移；(h) 有石墨烯時靠近臺階處沿面外方向的氮化物原子偏移；(i) 界面附近兩個原子層面外方向原子偏移的線輪廓
 

　　圖4 石墨烯輔助外延中的應力馳豫和位錯演化機制。石墨烯輔助外延生長和直接外延生長的GaN薄膜的(a) XRD搖擺曲線對比，(b) 刃位錯和螺位錯密度對比，(c) 應力對比；GaN/石墨烯/GaN界面處的(d) 暗場像圖像，(e) GPA exx圖像；(f) 石墨烯在界面處阻擋穿透位錯向上擴散的示意圖；(g) 空白GaN表面的電勢場波動；(h) 石墨烯/GaN復合襯底表面的電勢場波動；(i) 空白GaN表面和石墨烯/GaN復合襯底表面沿特定方向的電勢波動對比
 

　　圖5 氮化物器件的熱電性能。(a) 塞貝克測量裝置示意圖；(b) 不同溫度梯度下的紅外熱成像圖；(c) 開路電壓隨溫差時間變化曲線；(d) 塞貝克系數擬合曲線