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鄭新和教授研究團隊采用原位預處理方法實現了低溫單晶GaN薄膜的原子層外延生長

氮化镓(GaN)半導體因為其寬的直接帶隙(3.4eV)、高的電子飽和漂移速率及高的擊穿電場,在短波可見光和近紫外光發射、高頻/高功率密度電子器件等方麵具有廣泛的應用。由於GaN和異質襯底之間存在大的晶格和熱失配,高溫生長會使得GaN薄膜材料中產生大的雙軸應力,造成翹曲甚至開裂,從而降低GaN基器件的良率以及性能,因此在異質襯底(如矽、藍寶石等)上低溫外延生長GaN薄膜具有重要的意義。

近日,爱游戏官方入口 應用物理係鄭新和教授團隊首次采用預熱並結合氮等離子體處理藍寶石襯底表麵,低溫(350℃)下實現了高質量單晶GaN薄膜的等離子體增強型原子層沉積或原子層外延。采用該方法所得的24納米厚GaN薄膜沿c-麵藍寶石襯底外延生長,(002)麵X射線搖擺曲線的半高寬為666 arcsec,該值和一些通過高溫生長技術得到的GaN外延層的值相當。此外,通過原子力顯微鏡測試發現GaN薄膜的表麵非常光滑,在透射電子顯微鏡下可以看到GaN/藍寶石界麵非常平整。該項研究成果於5月26日發表於國際應用物理頂級期刊《Applied Physics Letters》上,之後被國際著名半導體行業雜誌Semiconductor Today作為News Features進行專題報道。據了解,Semiconductor Today是總部位於英國,具有獨立性和非盈利性的國際半導體行業著名雜誌,專注於報道化合物半導體的重要研究進展和最新行業動態。

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原子層沉積技術很大程度上依賴於表麵反應,襯底表麵的初始成核步驟所涉及的化學位點控製著初始沉積過程,並影響最終GaN 薄膜的質量。經過預熱處理能激活藍寶石表麵的反應位點,促進其在表麵迅速擴散,使得藍寶石襯底表麵的氧基團被氮等離子體中的氮基基團完全取代,形成-NH基團。該方法不僅降低了襯底表麵氧的位點數,也實現了 GaN薄膜的外延生長。而通過原子層沉積技術直接在藍寶石襯底上生長的GaN薄膜是多晶態。

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該研究實現的低溫下單晶GaN薄膜生長可能給GaN領域帶來一些意想不到的進展,如所得的表麵和界麵非常平整的單晶GaN薄膜可以用於MOCVD和MBE生長GaN的緩衝層,單晶GaN薄膜與二維體係形成的新型異質結用於高頻熱載流子晶體管器件,作為界麵插入層提升如量子點、鈣鈦礦太陽能電池的輸運,以及結合原子層沉積技術保型性好的優點,在圖形化的基底上生長GaN薄膜等。

論文第一作者為爱游戏网页版入口 博士研究生劉三姐,通訊作者是鄭新和教授和彭銘曾副教授。湖南師範大學、北京凝聚態物理國家實驗室和美國加州大學河濱分校等單位參與並為研究工作提供了支持。這項工作得到了國家重點研發項目、北京市自然科學基金、國家自然科學基金項目等的資助。

原文鏈接:

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

專欄報道鏈接:

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

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