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氮化物半导体大失配异质外延技术项目简介
2019-02-03 中国教育和科研计算机网


北京大学沈波教授团队“氮化物半导体大失配异质外延技术”获国家技术发明二等奖

  项目简介

  该项目属于电子与通信技术学科的半导体材料与器件技术方向。氮化物宽禁带半导体是实现短波长发光器件和高频大功率电子器件的核心材料体系,在半导体照明、新一代移动通讯、国防军工等领域有重大应用,是全球高技术竞争和战略性新兴产业发展的关键领域。

  氮化物半导体外延制备是器件和系统的基础和核心技术。由于GaN同质衬底的稀缺,迄今氮化物半导体制备的主流方法是蓝宝石等衬底上的异质外延,存在巨大的晶格失配和热膨胀系数失配,由此导致的外延材料中高缺陷密度成为氮化物半导体技术发展的关键瓶颈,需结合涉及大失配异质外延体系的衬底技术、外延技术及外延层/衬底相互作用规律加以解决。

  该项目在863、973等国家和地方科技计划的持续支持下,围绕蓝宝石衬底上氮化物半导体大失配异质外延的缺陷和应力控制这一重大问题开展了系统研究,发明了有效提升外延质量的图形化蓝宝石衬底(以下称为PSS)新技术和外延生长新方法,制备出质量指标国际领先的氮化物半导体外延材料,建立了较为完善的氮化物半导体/PSS大失配异质外延技术体系,并实现了大规模产业应用,有力推动了我国氮化物半导体乃至第三代半导体技术和产业的发展。


北京大学沈波教授团队“氮化物半导体大失配异质外延技术”获国家技术发明二等奖

  技术发明点

  该项目主要技术发明点包括:

  (1)发明了光子准晶结构SiO2/Al2O3复合PSS技术,通过引入位错阻挡机制降低GaN缺陷密度、通过提高界面折射率差提升芯片光提取效率,产业应用统计数据表明新型PSS上LED芯片较常规PSS提高出光效率5~8%;

  (2)发明了一种刻蚀和沉积动态调控的二次掩膜PSS刻蚀方法,解决了刻蚀速率和刻蚀选择比难以同时提高的难题,刻蚀速率和选择比均比常规方法提升约1倍,进而实现了一套制造效率比常规技术提升约30%的PSS大规模产业化制备新技术和企业/地方标准;

  (3)发明了一种纳米PSS上AlN侧向外延方法,解决了PSS上AlN合拢厚度大、晶向扭曲严重的问题,AlN外延薄膜位错密度降至2.3×108 cm-2,是迄今国际报道最好水平,并研制出内量子效率位居国际前列的AlGaN深紫外发光量子阱结构;

  (4)发明了一种InN边界温度控制外延方法,解决了大失配条件下随外延厚度增加InN龟裂和质量退化问题,InN外延薄膜室温电子迁移率提高到3580 cm2/Vs,是迄今国际报道最高值。

  国际评价

  该项目成果得到了国际同行的高度评价。国际半导体技术权威评论网站《Semiconductor Today》对相关成果先后两次给予专门报道和评价。

  国际顶尖晶体生长专业期刊Cryst. Eng. Comm.先后两次以封面论文发表相关成果,包括诺贝尔奖获得者在内的多位该领域国际知名学者对该项目成果给予了引用或评价。

  项目成果共获得国家发明专利授权31件,发表SCI收录论文73篇,在该领域国际学术会议上做邀请报告25次。经中国电子学会鉴定认为“该项目成果技术创新特色突出,关键技术达到国际领先水平”。

  项目成果培育出目前全球规模最大,集PSS研发和生产为一体的高新技术企业,近三年累计销售超过12.7亿元,新增利润超过1.6亿元,占据国内市场份额40%以上,并大量出口海外名牌企业,实现了我国氮化物半导体及其量子结构外延用高品质PSS产业从无到有的跨越。

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