Ⅲ族氮化物第三代半导体材料发展现状与趋势

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）

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

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。

RONTIER前沿

RONTIER 前沿

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/cm 2，2025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2200cm 2/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