氮化物半導(dǎo)體是第三代半導(dǎo)體的典型代表，具有禁帶變化范圍寬、二維電子氣密度高等一系列優(yōu)異性質(zhì)，是繼Si和GaAs之后最重要的半導(dǎo)體材料。氮化物半導(dǎo)體在半導(dǎo)體照明、新一代移動通訊、新一代通用電源、雷達、新能源汽車等領(lǐng)域有重大應(yīng)用，對國家產(chǎn)業(yè)升級、節(jié)能減排、國防安全具有戰(zhàn)略意義。
 

在近日由長治市人民政府、國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）和山西云時代技術(shù)有限公司共同主辦的“第二屆紫外LED長治產(chǎn)業(yè)發(fā)展峰會”上，北京大學(xué)教授沈波分享了AlGaN基深紫外發(fā)光材料和器件趨勢以及高質(zhì)量外延生長和高效p型摻雜、AlGaN基DUV-LED器件研制等的技術(shù)進展。

 

氮化物半導(dǎo)體是全球高技術(shù)競爭的關(guān)鍵領(lǐng)域之一，美國等關(guān)鍵材料和芯片，以及重要技術(shù)上對我國實施禁運。我國政府高度重視，在“中國制造2025”和若干國家科技計劃中，均把其列為重點方向。

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。

AlN和高Al組分AlGaN的固態(tài)紫外發(fā)光是不可替代的第三代半導(dǎo)體，現(xiàn)有的汞燈和氣體激光器等氣態(tài)紫外光源，汞污染、電壓高、體積大、壽命短等劣勢，并且聯(lián)合國《關(guān)于汞的水俁公約》已經(jīng)于2020年開始生效，將于2030年在全球徹底禁止汞的使用。
 

AlGaN基UV-LED是固態(tài)紫外光源，無汞污染、電壓低、體積小、效率高、壽命長、利于集成。國內(nèi)紫外LED市場發(fā)展預(yù)期方面，新冠疫情影響，殺菌消毒市場快速啟動，預(yù)計2025年紫外LED光源市場規(guī)模可達87-90億元，未來五年年均復(fù)合增長率高達25%。預(yù)期2025年，UVC-LED出貨量將達40億顆以上，外延片和芯片需求~50萬片。AlGaN基UV-LED面臨的關(guān)鍵問題是AlN 和AlGaN 外延層中的位錯密度和殘留應(yīng)變。

針對高質(zhì)量外延生長和高效p型摻雜以及AlGaN基DUV-LED器件研制，沈波教授詳細分享了最新的研究進展、方法與關(guān)鍵。其中，關(guān)于外延生長和p型摻雜涉及高質(zhì)量AlN的外延生長、高內(nèi)量子效率AlGaN基多量子阱的外延生長、高Al組分AlGaN的高效p型摻雜。由于異質(zhì)外延和體系內(nèi)部大失配、強極化的特性，AlN、高Al組分AlGaN及其量子結(jié)構(gòu)的外延生長和DUV-LED研制依然面臨一系列關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題。
 

報告中分享了發(fā)明的“小合攏區(qū)NPSS側(cè)向外延”方法制備出高質(zhì)量AlN外延層，AlN層XRD搖擺曲線半高寬為132 (002) /140(102) arcsec；在AlN/藍寶石模板上外延生長出高質(zhì)量AlGaN基多量子阱，發(fā)光波長276 nm，IQE達84%；發(fā)明“脫附控制超薄層外延”方法，制備出短周期超晶格結(jié)構(gòu)p-AlGaN層， 空穴濃度達6.7×1018cm-3；開展了DUV-LED芯片研制，實現(xiàn)了發(fā)光波長276nm，光輸出功率29mW@100mA的深紫外LED器件。