III族氮化物第三代半导体材料发展现状与趋势

　　史冬梅1，杨斌1，蔡韩辉2

　　(1.科技部高技术研究发展中心;2.中国科学院福建物质结构研究所)

　　以III族氮化物为代表的第三代半导体材料在半导体照明、新型激光显示、高速移动通信等诸多领域有着重要应用。本文在对III族氮化物第三代半导体材料国内外发展现状、趋势进行分析梳理的基础上，提出了我国进一步发展重点与对策建议。

　　一、关于III族氮化物第三代半导体材料

　　以III族氮化物为代表的第三代半导体材料，多为禁带宽度显著大于Si和GaAs的宽禁带半导体材料(InN除外)，是实现高效率、高性能光电子和微电子器件的基础。因此，被公认是当前国际光电信息技术领域的战略制高点，各国均投入大量人力物力进行相关研发。

　　III族氮化物以InN-GaN-AlN这三者及其合金为主，InGaN量子阱是可见光波段发光器件的核心，AlGaN量子阱是深紫外光电子器件的关键材料，而AlGaN/GaN异质结构，则是电力电子器件和微波通讯器件的核心材料。

　　通过突破高Al和高In组分氮化物材料制备难题，攻克蓝光、绿光发光效率限制瓶颈，实现高发光效率量子阱和高迁移率异质结构，提升我国第三代半导体关键材料水平，掌握材料和器件科学规律及核心技术，对推动电子材料产业转型升级，培育新的经济增长点具有重要意义。

　　二、世界发展现状与趋势

　　III族氮化物第三代半导体材料当前国际研究热点仍集中于高质量高Al、高In材料，及其异质结构的外延，超高能效白光LED，高性能、低成本的电力电子器件等领域。

　　1.Ⅲ族氮化物材料及其紫外发光和探测应用研究

　　在AlGaN材料制备方面，尤其是生长高Al组分AlGaN材料过程中，面临的挑战主要是AlGaN表面开裂问题、Al原子的表面迁移能力低及掺杂困难等问题。

　　在高Al组分AlGaN研究领域，美国和日本一直处于领跑地位。AlN模板衬底上生长AlGaN能解决AlGaN开裂问题，日本名城大学将AlN模板位错密度降到4´107cm-2，是目前公开报道的最好水平;南卡罗来纳大学Khan等人在微米级的沟槽型AlN/蓝宝石模板上进行侧向外延生长，使AlN中的位错密度降低近两个数量;基于氢化物气相外延和物理气相传输技术的AlN衬底制备方法也迅猛发展，目前美国Crystal IS已经能够提供2 英寸以下的低位错密度AlN单晶衬底。

　　在AlGaN紫外及深紫外探测器方面，随着Al组分的增加，材料生长难度不断加大，探测器性能下降。如何实现AlGaN基紫外及深紫外探测器对微弱信号探测，尤其是对单光子探测是AlGaN探测器发展的目标。目前，美国西北大学获得Al组分高于0.7、截止波长在275nm处的日盲紫外探测器。在-5V偏压下，内量子效率可达90%以上。

　　在深紫外LED方面，全波段的深紫外LED均能够实现，通过不断提升材料质量(如利用AlN模板衬底以及插入层技术)及优化器件结构(如采用等离激元提高光提取效率)的方式，紫外及深紫外LED的性能不断提升。

　　2.Ⅲ族氮化物材料在LED领域的应用研究

　　经过二十余年的研究，氮化物蓝光及白光LED已经达到了很高的性能水平。三位日裔科学家赤崎勇教授、天野浩教授和中村修二教授，在利用缓冲层技术大幅度提高晶体质量的基础上，实现了GaN的p型掺杂，制备出高亮度蓝光LED，引发了照明技术的革命，因而获得2014年度诺贝尔物理学奖。

　　随着材料生长相关难题的不断解决，目前蓝光波段量子阱结构的内量子效率达到85%~87%，以Nichia公司产品为代表的基于蓝宝石的氮化物LED器件，以Cree公司产品为代表的基于SiC的氮化物LED器件，和以晶能光电为代表的Si基氮化物LED器件，都实现了较高的发光效率。目前，高效白光LED产品的光效达到了150~160lm/W的水平。LED当前的研究重点是进一步提高量子效率，降低大注入下的量子效率衰减(Efficiency Droop效应)。根据美国能源部预计，按照目前学界与产业界的研发水平展望，至2020年，白光LED光效预计达到210lm/W@35A/cm2，2025年达到255lm/W。

　　在新型微纳结构LED研究领域，主要是英国microLED、爱尔兰的infiniLED、三星、索尼、苹果等公司先后展开研发，逐渐投入产品应用。三星公司报道了在蓝光区内量子效率超过90%，绿光区超过75%的核壳结构的nanoLED阵列，显示了这项技术极大的潜在优势。

　　3.Ⅲ族氮化物材料在电力电子器件领域的应用研究

　　在电力电子器件方面，在小失配SiC衬底上外延的AlGaN/GaN异质结构二维电子气(2DEG)的迁移率达到2200cm2/Vs，28V工作的GaN微波器件和耐压600V以下的GaN电力电子器件，也已初步实现工程化应用。低成本、大失配Si衬底上GaN位错密度高，2DEG外延生长困难，但已经实现了突破。调控材料中的应力、抑制缺陷，解决外延生长难题，实现低缺陷密度、高迁移率的异质结构，制备耐压达600~1200V、可靠寿命超百万小时的电子器件成为当前该领域的研究热点。

　　近年来，电力电子器件产业化进程也取得了很大进展。美国宜普电源转换公司开发出工作电压在40~200V的GaN产品系列，其中EPC eGaNTM电力电子器件的击穿电压和动态电阻性能要比硅基MOSFET优越5~10倍。美国国际整流公司实现了GaN器件的商业化，开发的系列产品已经成功应用到转换器、逆变器等工业化产品中。2015年美国Transphorm与日本Fujitsu半导体公司宣布合作，在现有Si工艺生产线上量产基于6英寸硅晶圆的GaN基功率开关器件。2016年Transphorm已推出通过JEDEC标准认证的650V GaN电力电子器件。

　　三、我国发展现状与水平

　　近年来，在国家大力投入下，我国在第三代半导体材料、器件及其应用方面均取得了快速发展，主要表现在如下几个方面：

　　1. 在紫外光电器件领域的研究

　　由于我国在AlGaN材料生长及器件研究上起步较晚，虽然在材料生长及器件上也取得了一定突破，但总体上还落后于美国、日本等国家。

　　在高Al组分AlGaN基UV LED研究方面，中国科学院半导体所、青岛杰生、北京大学、厦门大学都开展了大量的研究，采用高温AlN插入层技术及纳米图形蓝宝石衬底外延技术，实现了282nm DUV LED，在20mA电流下输出功率达到3mW。为改善UV LED的空穴注入效率，他们采用p-AlGaN组分渐变层结构，实现297-299nm UV LED的量子效率提升50%。

　　在AlGaN基紫外探测器方面，国内的多家单位如南京大学、清华大学、北京大学、中山大学以及中国科学院长春光机所均开展了相关研究。中国科学院长春光机所将AlGaN材料和Al纳米颗粒耦合成为SPR-AlGaN基MSM探测器，获得了在288nm处的峰值响应达到0.288A/W的日盲紫外探测器。2016年，南京大学和中电集团55所完成的项目“先进日盲紫外探测与应用技术”荣获国家技术发明二等奖。

　　2. 在半导体照明领域的应用研究

　　我国较早开展了III族氮化物与LED器件的研究，在国家973、863科技计划的支持下，获得了一批优秀成果。以中国科学院半导体所、北京大学、南京大学等单位组成的研发团队，在蓝光LED研究方面进入全世界前三水平。

　　三维微纳米结构的材料和器件方面，国内的主要研究单位有中国科学院半导体所、北京大学、南京大学、中山大学等。目前，已实现多种尺寸GaN纳米柱阵列和纳米柱LED的光致发光。在自上而下的纳米柱LED阵列制备中，实现了光致发光6.5倍的增加。另外，在微纳结构表面等离激元增强结构，以及氮化物量子阱/量子点偶极子耦合增强LED方面也做了许多工作，获得了LED发光增强和效率提高，改善了白光LED品质。

　　在硅基GaN LED技术方面，国内研究和开发硅基LED的主要机构有南昌大学、中国科学院苏州纳米所、中山大学、中国科学院半导体所、北京大学等。我国的硅基LED研究水平目前处于国际领先地位，南昌大学在硅衬底上制备出高效率的大功率蓝光LED芯片，并在产业基地晶能光电(江西)有限公司实现了硅衬底GaN基大功率蓝光LED的规模量产。南昌大学“硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管技术”荣获了2015年国家技术发明一等奖。

　　3. 在电力电子器件领域的研究

　　目前国内主要研究机构包括北京大学、中国科院苏州纳米所、中国科学院半导体所、中电科技集团13所和55所、中山大学等。目前，北京大学研制的4-6英寸硅衬底AlGaN/GaN异质结构二维电子气室温电子迁移率达到2240cm2/Vs，处于国际前列。

　　我国半导体企业也逐步投入GaN基电力电子的研发工作，正在快速推进硅基GaN电力电子材料与器件的产业化进程。其中，苏州晶湛半导体公司和江西晶能光电公司成功制备出高质量8英寸Si衬底GaN基HEMT材料。

　　在InAlN/GaN HEMT材料和器件方面，国内研究单位主要有西安电子科技大学、中电科技集团13所、北京大学和中国科学院苏州纳米所等。中电科技集团13所和北京大学研制的InAlN/GaN异质结构二维电子气室温电子迁移率分别达到了2175和2220cm2/Vs，处于国际领先水平。在高压InAlN HEMT方面，利用肖特基源漏InAlN MIS-HEMT结构提高关态击穿电压，比欧姆接触源漏的InAlN MIS-HEMT击穿电压提高170%，近期，研究者在国内也p型栅极的增强型GaN基HEMT器件。

　　四、我国进一步发展重点与对策建议

　　针对我国现阶段的发展现状，进一步推进III族氮化物为代表的第三代半导体材料研发，总体上在基础研究和产业化应用两方面进行有机结合，齐头并进。注重完善氮化物半导体材料及器件的指标评价体系，发展新型表征手段，使材料及器件指标与器件性能建立更加直接对应的关联;重视氮化物半导体电子器件材料外延生长平台、器件加工工艺线的建立，促进氮化物半导体器件行业的发展。

　　进一步发展的重点主要是高Al组分、高In组分氮化物材料的外延生长和AlN、GaN自支撑衬底制备，紫外波段量子结构的外延和发光、探测器件，极高效率蓝、绿、红光LEDs、LDs及其产业规模扩大，Si、SiC和GaN同质衬底上GaN异质结构外延和射频器件、电力电子器件的产业化。

　　建议采取一下具体措施：

　　1. 明确研究重点发展方向

　　根据我国研究现状和第三代半导体发展趋势和规律，应该明确将高Al组分、高In组分材料和AlN、GaN衬底，紫外、蓝绿红光LED和LDs材料器件及其产业化、异质结构外延和射频器件及其电力电子器件制作和产业化作为重点发展方向。

　　2. 加强基础研究和产学研结合

　　加强基础研究能力，提高源头创新比例，尤其注意加强第三代半导体材料、物理和器件之间的联合基础研究，提高材料和器件双方面协同创新能力。加强基础研究单位之间、基础研究单位和产业界以及产业界之间的结合，形成并加强从第三代半导体材料到光电、电力电子器件到产品开发的完整研究、产业链，加强基础研究人员和产业界技术人员的对换交流，提高基础研究成果转化能力。

　　3. 加强基地、平台和联盟建设

　　以第三代半导体产业技术创新战略联盟、国家半导体照明工程研发及产业联盟、半导体照明联合、人工微结构和介观物理等国家重点实验室、第三代半导体创新基地和中国科学院半导体所、北京大学、南京大学等重点研发单位为依托，加强和扩展研究基地建设，加强国家级平台建设，引导人才通过基地、平台和联盟进行全方位合作，加强高技术转移和产业化能力。

　　4. 鼓励地方加大投入，协调投入方向

　　积极鼓励珠三角、长三角、京津冀和其他省市地区加大第三代半导体材料研发和产业化支持和投入。总结珠三角地区在产业化发展方面的经验，结合京津冀地区产学研方面的优势，从国家层面出发，积极协调珠三角地区、长三角和京津冀地区研发和产业支持投入的重点方向，做到优势互补，互惠互利，实现全国协调和可持续发展。

　　本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”(编号：ZLY2015072)研究成果之一。 感谢北京大学王新强教授的支持。

　　本文特约编辑：姜念云