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郑新和教授研究团队采用原位预处理方法实现了低温单晶GaN薄膜的原子层外延生长

氮化镓(GaN)半导体因为其宽的直接带隙(3.4eV)、高的电子饱和漂移速率及高的击穿电场,在短波可见光和近紫外光发射、高频/高功率密度电子器件等方面具有广泛的应用。由于GaN和异质衬底之间存在大的晶格和热失配,高温生长会使得GaN薄膜材料中产生大的双轴应力,造成翘曲甚至开裂,从而降低GaN基器件的良率以及性能,因此在异质衬底(如硅、蓝宝石等)上低温外延生长GaN薄膜具有重要的意义。

近日,威尼斯3775网站应用物理系郑新和教授团队首次采用预热并结合氮等离子体处理蓝宝石衬底表面,低温(350℃)下实现了高质量单晶GaN薄膜的等离子体增强型原子层沉积或原子层外延。采用该方法所得的24纳米厚GaN薄膜沿c-面蓝宝石衬底外延生长,(002)面X射线摇摆曲线的半高宽为666 arcsec,该值和一些通过高温生长技术得到的GaN外延层的值相当。此外,通过原子力显微镜测试发现GaN薄膜的表面非常光滑,在透射电子显微镜下可以看到GaN/蓝宝石界面非常平整。该项研究成果于5月26日发表于国际应用物理顶级期刊《Applied Physics Letters》上,之后被国际著名半导体行业杂志Semiconductor Today作为News Features进行专题报道。据了解,Semiconductor Today是总部位于英国,具有独立性和非盈利性的国际半导体行业著名杂志,专注于报道化合物半导体的重要研究进展和最新行业动态。

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原子层沉积技术很大程度上依赖于表面反应,衬底表面的初始成核步骤所涉及的化学位点控制着初始沉积过程,并影响最终GaN 薄膜的质量。经过预热处理能激活蓝宝石表面的反应位点,促进其在表面迅速扩散,使得蓝宝石衬底表面的氧基团被氮等离子体中的氮基基团完全取代,形成-NH基团。该方法不仅降低了衬底表面氧的位点数,也实现了 GaN薄膜的外延生长。而通过原子层沉积技术直接在蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜是多晶态。

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该研究实现的低温下单晶GaN薄膜生长可能给GaN领域带来一些意想不到的进展,如所得的表面和界面非常平整的单晶GaN薄膜可以用于MOCVD和MBE生长GaN的缓冲层,单晶GaN薄膜与二维体系形成的新型异质结用于高频热载流子晶体管器件,作为界面插入层提升如量子点、钙钛矿太阳能电池的输运,以及结合原子层沉积技术保型性好的优点,在图形化的基底上生长GaN薄膜等。

论文第一作者为北京科技大学博士研究生刘三姐,通讯作者是郑新和教授和彭铭曾副教授。湖南师范大学、北京凝聚态物理国家实验室和美国加州大学河滨分校等单位参与并为研究工作提供了支持。这项工作得到了国家重点研发项目、北京市自然科学基金、国家自然科学基金项目等的资助。

原文链接:

Sanjie Liu, Gang Zhao, Yingfeng He, Yangfeng Li, Huiyun Wei, Peng Qiu, Xinyi Wang, Xixi Wang, Jiadong Cheng, Mingzeng Peng, Francisco Zaera, and Xinhe Zheng, Baking and plasma pretreatment of sapphire surfaces as a way to facilitate the epitaxial plasma-enhanced atomic layer deposition of GaN thin films. Applied Physics Letters. 116, 211601 (2020); DOI:  https://doi.org/10.1063/5.0003021

专栏报道链接:

http://www.semiconductor-today.com/news_items/2020/jun/ustb-120620.shtml

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