史冬梅1，楊斌1，蔡韓輝2

　　(1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所)

　　以III族氮化物為代表的第三代半導(dǎo)體材料在半導(dǎo)體照明、新型激光顯示、高速移動通信等諸多領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。本文在對III族氮化物第三代半導(dǎo)體材料國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢進行分析梳理的基礎(chǔ)上，提出了我國進一步發(fā)展重點與對策建議。

　　一、關(guān)于III族氮化物第三代半導(dǎo)體材料

　　以III族氮化物為代表的第三代半導(dǎo)體材料，多為禁帶寬度顯著大于Si和GaAs的寬禁帶半導(dǎo)體材料(InN除外)，是實現(xiàn)高效率、高性能光電子和微電子器件的基礎(chǔ)。因此，被公認(rèn)是當(dāng)前國際光電信息技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點，各國均投入大量人力物力進行相關(guān)研發(fā)。

　　III族氮化物以InN-GaN-AlN這三者及其合金為主，InGaN量子阱是可見光波段發(fā)光器件的核心，AlGaN量子阱是深紫外光電子器件的關(guān)鍵材料，而AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，則是電力電子器件和微波通訊器件的核心材料。

　　通過突破高Al和高In組分氮化物材料制備難題，攻克藍光、綠光發(fā)光效率限制瓶頸，實現(xiàn)高發(fā)光效率量子阱和高遷移率異質(zhì)結(jié)構(gòu)，提升我國第三代半導(dǎo)體關(guān)鍵材料水平，掌握材料和器件科學(xué)規(guī)律及核心技術(shù)，對推動電子材料產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，培育新的經(jīng)濟增長點具有重要意義。

　　二、世界發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　III族氮化物第三代半導(dǎo)體材料當(dāng)前國際研究熱點仍集中于高質(zhì)量高Al、高In材料，及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延，超高能效白光LED，高性能、低成本的電力電子器件等領(lǐng)域。

　　1.Ⅲ族氮化物材料及其紫外發(fā)光和探測應(yīng)用研究

　　在AlGaN材料制備方面，尤其是生長高Al組分AlGaN材料過程中，面臨的挑戰(zhàn)主要是AlGaN表面開裂問題、Al原子的表面遷移能力低及摻雜困難等問題。

　　在高Al組分AlGaN研究領(lǐng)域，美國和日本一直處于領(lǐng)跑地位。AlN模板襯底上生長AlGaN能解決AlGaN開裂問題，日本名城大學(xué)將AlN模板位錯密度降到4′107cm-2，是目前公開報道的最好水平;南卡羅來納大學(xué)Khan等人在微米級的溝槽型AlN/藍寶石模板上進行側(cè)向外延生長，使AlN中的位錯密度降低近兩個數(shù)量;基于氫化物氣相外延和物理氣相傳輸技術(shù)的AlN襯底制備方法也迅猛發(fā)展，目前美國Crystal IS已經(jīng)能夠提供2 英寸以下的低位錯密度AlN單晶襯底。

　　在AlGaN紫外及深紫外探測器方面，隨著Al組分的增加，材料生長難度不斷加大，探測器性能下降。如何實現(xiàn)AlGaN基紫外及深紫外探測器對微弱信號探測，尤其是對單光子探測是AlGaN探測器發(fā)展的目標(biāo)。目前，美國西北大學(xué)獲得Al組分高于0.7、截止波長在275nm處的日盲紫外探測器。在-5V偏壓下，內(nèi)量子效率可達90%以上。

　　在深紫外LED方面，全波段的深紫外LED均能夠?qū)崿F(xiàn)，通過不斷提升材料質(zhì)量(如利用AlN模板襯底以及插入層技術(shù))及優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)(如采用等離激元提高光提取效率)的方式，紫外及深紫外LED的性能不斷提升。

　　2.Ⅲ族氮化物材料在LED領(lǐng)域的應(yīng)用研究

　　經(jīng)過二十余年的研究，氮化物藍光及白光LED已經(jīng)達到了很高的性能水平。三位日裔科學(xué)家赤崎勇教授、天野浩教授和中村修二教授，在利用緩沖層技術(shù)大幅度提高晶體質(zhì)量的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了GaN的p型摻雜，制備出高亮度藍光LED，引發(fā)了照明技術(shù)的革命，因而獲得2014年度諾貝爾物理學(xué)獎。

　　隨著材料生長相關(guān)難題的不斷解決，目前藍光波段量子阱結(jié)構(gòu)的內(nèi)量子效率達到85%~87%，以Nichia公司產(chǎn)品為代表的基于藍寶石的氮化物L(fēng)ED器件，以Cree公司產(chǎn)品為代表的基于SiC的氮化物L(fēng)ED器件，和以晶能光電為代表的Si基氮化物L(fēng)ED器件，都實現(xiàn)了較高的發(fā)光效率。目前，高效白光LED產(chǎn)品的光效達到了150~160lm/W的水平。LED當(dāng)前的研究重點是進一步提高量子效率，降低大注入下的量子效率衰減(Efficiency Droop效應(yīng))。根據(jù)美國能源部預(yù)計，按照目前學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界的研發(fā)水平展望，至2020年，白光LED光效預(yù)計達到210lm/W@35A/cm2，2025年達到255lm/W。

　　在新型微納結(jié)構(gòu)LED研究領(lǐng)域，主要是英國microLED、愛爾蘭的infiniLED、三星、索尼、蘋果等公司先后展開研發(fā)，逐漸投入產(chǎn)品應(yīng)用。三星公司報道了在藍光區(qū)內(nèi)量子效率超過90%，綠光區(qū)超過75%的核殼結(jié)構(gòu)的nanoLED陣列，顯示了這項技術(shù)極大的潛在優(yōu)勢。

　　3.Ⅲ族氮化物材料在電力電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用研究

　　在電力電子器件方面，在小失配SiC襯底上外延的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣(2DEG)的遷移率達到2200cm2/Vs，28V工作的GaN微波器件和耐壓600V以下的GaN電力電子器件，也已初步實現(xiàn)工程化應(yīng)用。低成本、大失配Si襯底上GaN位錯密度高，2DEG外延生長困難，但已經(jīng)實現(xiàn)了突破。調(diào)控材料中的應(yīng)力、抑制缺陷，解決外延生長難題，實現(xiàn)低缺陷密度、高遷移率的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，制備耐壓達600~1200V、可靠壽命超百萬小時的電子器件成為當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點。

　　近年來，電力電子器件產(chǎn)業(yè)化進程也取得了很大進展。美國宜普電源轉(zhuǎn)換公司開發(fā)出工作電壓在40~200V的GaN產(chǎn)品系列，其中EPC eGaNTM電力電子器件的擊穿電壓和動態(tài)電阻性能要比硅基MOSFET優(yōu)越5~10倍。美國國際整流公司實現(xiàn)了GaN器件的商業(yè)化，開發(fā)的系列產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用到轉(zhuǎn)換器、逆變器等工業(yè)化產(chǎn)品中。2015年美國Transphorm與日本Fujitsu半導(dǎo)體公司宣布合作，在現(xiàn)有Si工藝生產(chǎn)線上量產(chǎn)基于6英寸硅晶圓的GaN基功率開關(guān)器件。2016年Transphorm已推出通過JEDEC標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的650V GaN電力電子器件。

　　三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平

　　近年來，在國家大力投入下，我國在第三代半導(dǎo)體材料、器件及其應(yīng)用方面均取得了快速發(fā)展，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：

　　1. 在紫外光電器件領(lǐng)域的研究

　　由于我國在AlGaN材料生長及器件研究上起步較晚，雖然在材料生長及器件上也取得了一定突破，但總體上還落后于美國、日本等國家。

　　在高Al組分AlGaN基UV LED研究方面，中國科學(xué)院半導(dǎo)體所、青島杰生、北京大學(xué)、廈門大學(xué)都開展了大量的研究，采用高溫AlN插入層技術(shù)及納米圖形藍寶石襯底外延技術(shù)，實現(xiàn)了282nm DUV LED，在20mA電流下輸出功率達到3mW。為改善UV LED的空穴注入效率，他們采用p-AlGaN組分漸變層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)297-299nm UV LED的量子效率提升50%。

　　在AlGaN基紫外探測器方面，國內(nèi)的多家單位如南京大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、中山大學(xué)以及中國科學(xué)院長春光機所均開展了相關(guān)研究。中國科學(xué)院長春光機所將AlGaN材料和Al納米顆粒耦合成為SPR-AlGaN基MSM探測器，獲得了在288nm處的峰值響應(yīng)達到0.288A/W的日盲紫外探測器。2016年，南京大學(xué)和中電集團55所完成的項目“先進日盲紫外探測與應(yīng)用技術(shù)”榮獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎。

　　2. 在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域的應(yīng)用研究

　　我國較早開展了III族氮化物與LED器件的研究，在國家973、863科技計劃的支持下，獲得了一批優(yōu)秀成果。以中國科學(xué)院半導(dǎo)體所、北京大學(xué)、南京大學(xué)等單位組成的研發(fā)團隊，在藍光LED研究方面進入全世界前三水平。

　　三維微納米結(jié)構(gòu)的材料和器件方面，國內(nèi)的主要研究單位有中國科學(xué)院半導(dǎo)體所、北京大學(xué)、南京大學(xué)、中山大學(xué)等。目前，已實現(xiàn)多種尺寸GaN納米柱陣列和納米柱LED的光致發(fā)光。在自上而下的納米柱LED陣列制備中，實現(xiàn)了光致發(fā)光6.5倍的增加。另外，在微納結(jié)構(gòu)表面等離激元增強結(jié)構(gòu)，以及氮化物量子阱/量子點偶極子耦合增強LED方面也做了許多工作，獲得了LED發(fā)光增強和效率提高，改善了白光LED品質(zhì)。

　　在硅基GaN LED技術(shù)方面，國內(nèi)研究和開發(fā)硅基LED的主要機構(gòu)有南昌大學(xué)、中國科學(xué)院蘇州納米所、中山大學(xué)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體所、北京大學(xué)等。我國的硅基LED研究水平目前處于國際領(lǐng)先地位，南昌大學(xué)在硅襯底上制備出高效率的大功率藍光LED芯片，并在產(chǎn)業(yè)基地晶能光電(江西)有限公司實現(xiàn)了硅襯底GaN基大功率藍光LED的規(guī)模量產(chǎn)。南昌大學(xué)“硅襯底高光效GaN基藍色發(fā)光二極管技術(shù)”榮獲了2015年國家技術(shù)發(fā)明一等獎。

　　3. 在電力電子器件領(lǐng)域的研究

　　目前國內(nèi)主要研究機構(gòu)包括北京大學(xué)、中國科院蘇州納米所、中國科學(xué)院半導(dǎo)體所、中電科技集團13所和55所、中山大學(xué)等。目前，北京大學(xué)研制的4-6英寸硅襯底AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣室溫電子遷移率達到2240cm2/Vs，處于國際前列。

　　我國半導(dǎo)體企業(yè)也逐步投入GaN基電力電子的研發(fā)工作，正在快速推進硅基GaN電力電子材料與器件的產(chǎn)業(yè)化進程。其中，蘇州晶湛半導(dǎo)體公司和江西晶能光電公司成功制備出高質(zhì)量8英寸Si襯底GaN基HEMT材料。

　　在InAlN/GaN HEMT材料和器件方面，國內(nèi)研究單位主要有西安電子科技大學(xué)、中電科技集團13所、北京大學(xué)和中國科學(xué)院蘇州納米所等。中電科技集團13所和北京大學(xué)研制的InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣室溫電子遷移率分別達到了2175和2220cm2/Vs，處于國際領(lǐng)先水平。在高壓InAlN HEMT方面，利用肖特基源漏InAlN MIS-HEMT結(jié)構(gòu)提高關(guān)態(tài)擊穿電壓，比歐姆接觸源漏的InAlN MIS-HEMT擊穿電壓提高170%，近期，研究者在國內(nèi)也p型柵極的增強型GaN基HEMT器件。

　　四、我國進一步發(fā)展重點與對策建議

　　針對我國現(xiàn)階段的發(fā)展現(xiàn)狀，進一步推進III族氮化物為代表的第三代半導(dǎo)體材料研發(fā)，總體上在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用兩方面進行有機結(jié)合，齊頭并進。注重完善氮化物半導(dǎo)體材料及器件的指標(biāo)評價體系，發(fā)展新型表征手段，使材料及器件指標(biāo)與器件性能建立更加直接對應(yīng)的關(guān)聯(lián);重視氮化物半導(dǎo)體電子器件材料外延生長平臺、器件加工工藝線的建立，促進氮化物半導(dǎo)體器件行業(yè)的發(fā)展。

　　進一步發(fā)展的重點主要是高Al組分、高In組分氮化物材料的外延生長和AlN、GaN自支撐襯底制備，紫外波段量子結(jié)構(gòu)的外延和發(fā)光、探測器件，極高效率藍、綠、紅光LEDs、LDs及其產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴大，Si、SiC和GaN同質(zhì)襯底上GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延和射頻器件、電力電子器件的產(chǎn)業(yè)化。

　　建議采取一下具體措施：

　　1. 明確研究重點發(fā)展方向

　　根據(jù)我國研究現(xiàn)狀和第三代半導(dǎo)體發(fā)展趨勢和規(guī)律，應(yīng)該明確將高Al組分、高In組分材料和AlN、GaN襯底，紫外、藍綠紅光LED和LDs材料器件及其產(chǎn)業(yè)化、異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延和射頻器件及其電力電子器件制作和產(chǎn)業(yè)化作為重點發(fā)展方向。

　　2. 加強基礎(chǔ)研究和產(chǎn)學(xué)研結(jié)合

　　加強基礎(chǔ)研究能力，提高源頭創(chuàng)新比例，尤其注意加強第三代半導(dǎo)體材料、物理和器件之間的聯(lián)合基礎(chǔ)研究，提高材料和器件雙方面協(xié)同創(chuàng)新能力。加強基礎(chǔ)研究單位之間、基礎(chǔ)研究單位和產(chǎn)業(yè)界以及產(chǎn)業(yè)界之間的結(jié)合，形成并加強從第三代半導(dǎo)體材料到光電、電力電子器件到產(chǎn)品開發(fā)的完整研究、產(chǎn)業(yè)鏈，加強基礎(chǔ)研究人員和產(chǎn)業(yè)界技術(shù)人員的對換交流，提高基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化能力。

　　3. 加強基地、平臺和聯(lián)盟建設(shè)

　　以第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、半導(dǎo)體照明聯(lián)合、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理等國家重點實驗室、第三代半導(dǎo)體創(chuàng)新基地和中國科學(xué)院半導(dǎo)體所、北京大學(xué)、南京大學(xué)等重點研發(fā)單位為依托，加強和擴展研究基地建設(shè)，加強國家級平臺建設(shè)，引導(dǎo)人才通過基地、平臺和聯(lián)盟進行全方位合作，加強高技術(shù)轉(zhuǎn)移和產(chǎn)業(yè)化能力。

　　4. 鼓勵地方加大投入，協(xié)調(diào)投入方向

　　積極鼓勵珠三角、長三角、京津冀和其他省市地區(qū)加大第三代半導(dǎo)體材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化支持和投入?？偨Y(jié)珠三角地區(qū)在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面的經(jīng)驗，結(jié)合京津冀地區(qū)產(chǎn)學(xué)研方面的優(yōu)勢，從國家層面出發(fā)，積極協(xié)調(diào)珠三角地區(qū)、長三角和京津冀地區(qū)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)支持投入的重點方向，做到優(yōu)勢互補，互惠互利，實現(xiàn)全國協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

　　本報告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“重點科技領(lǐng)域發(fā)展熱點跟蹤研究”(編號：ZLY2015072)研究成果之一。 感謝北京大學(xué)王新強教授的支持。

　　本文特約編輯：姜念云