來源：中科院半導(dǎo)體所jeoesmc

“界面即器件”，界面是器件設(shè)計的基礎(chǔ)，同時也是材料生長控制的核心。上個世紀80年代，日本科學(xué)家首次實現(xiàn)了氮化物材料外延，然而30余年時間里，生長界面仍存在大量學(xué)術(shù)爭議，傳統(tǒng)“由表面推測界面”的研究方法常常引起錯誤的認知，例如：1、異質(zhì)界面的精確原子構(gòu)型仍不清晰；2、由于缺乏反演對稱性，原則上講，非極性襯底（c面藍寶石）上MOCVD外延的氮化物，金屬極性（Al極性、Ga極性）或N極性均可以出現(xiàn)，但是氮化物（MOCVD生長）的表面呈現(xiàn)高度一致的金屬極性，迄今氮化物的極性選擇機制尚未明確，氮化物極性是否繼承于生長界面，并維持恒定？3、氮化物材料極高的位錯密度是否僅僅源自界面晶格失配和熱失配？  jeoesmc

近期，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所照明研發(fā)中心與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國家重點實驗室、美國北卡大學(xué)、北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心、福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院科研團隊合作，在氮化物材料生長界面生長過程研究上取得新進展。為解決上述學(xué)術(shù)爭議提供了直接證據(jù)，澄清了氮化物生長初始界面晶格堆疊次序上的認知混淆。  jeoesmc

文章題為“MOCVD方法在藍寶石襯底上生長的AlN材料自發(fā)極性反轉(zhuǎn)原子機理（Atomic-Scale Mechanism of Spontaneous Polarity Inversion in AlN on Nonpolar Sapphire Substrate Grown by MOCVD ）”，于 2022年2月10日在線發(fā)表于Small期刊（DOI: 10.1002/smll.202200057），并被選為期刊封面，編輯推薦入選“Hot Topic: Surfacesand Interfaces”。  jeoesmc

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圖1. 氮化物生長界面自發(fā)極化翻轉(zhuǎn)。研究團隊發(fā)現(xiàn)，通過MOCVD在藍寶石上生長的氮化物材料，晶格排布并不是直接繼承于氮化物/藍寶石界面，而是在生長過程中經(jīng)歷了自發(fā)的極性反轉(zhuǎn)。初始生長階段，氮化物傾向于呈現(xiàn)氮極性，而不是此前被廣泛接受的金屬極性。在表面能的各向異性的驅(qū)動下，極性逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘贅O性，伴隨著大量極性翻轉(zhuǎn)晶界的形成，對后續(xù)生長產(chǎn)生重要影響。 jeoesmc

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圖2. AlN外延層極性表征結(jié)果。（a) AlN/藍寶石界面的HAADF-STEM圖像。氮化物呈N極性；（b)靠近AlN頂層表面的HAADF-STEM圖像，氮化物呈Al極性；（c) KOH腐蝕AlN表面的形貌，六邊形的V形坑表明表面呈金屬極性。jeoesmc

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研究團隊通過第一性原理計算，揭示了藍寶石襯底表面氮化的最穩(wěn)定原子構(gòu)型及界面生長前端（圖3）。隨后，通過原子級界面表征確認了襯底氮化及后續(xù)生長的原子構(gòu)型，發(fā)現(xiàn)襯底表面的由高/低位Al引起的周期性起伏，會導(dǎo)致氮化物c面原子間距經(jīng)歷從拉伸狀態(tài)逐漸變化至正常的生長模式的轉(zhuǎn)換（圖4）。結(jié)合密度泛函理論，研究人員建立了界面氮化及緩沖層生長的原子級堆疊過程：N原子與低位Al原子成鍵→高位Al填充→Al原子與N原子成鍵→鋸齒狀zigzag結(jié)構(gòu)形成。證實了該原子沉積過渡區(qū)是三斜體系到六方體系的轉(zhuǎn)變區(qū)域。 jeoesmc

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圖3. 藍寶石襯底表面并入原子的第一性原理計算。（a) 藍寶石原子排列和堆疊順序；（b) 構(gòu)型1，氮原子以氮極性排列與低位鋁成鍵；（c) 構(gòu)型2，氮原子以鋁極性排列與低位鋁成鍵；（d) 鋁原子占據(jù)高位鋁原子位點；（e) 氮原子與低位鋁原子成鍵；（f) 氮化前后藍寶石表面C1s XPS光譜。（g) Al2p XPS光譜的光譜表明Al-N鍵的形成。jeoesmc

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離開異質(zhì)界面后，氮化物晶格將通過極性翻轉(zhuǎn)晶界（IDBs），自發(fā)的實現(xiàn)從N極性向金屬極性的翻轉(zhuǎn)。通過積分差分相位襯度掃描透射電鏡技術(shù)（iDPC -STEM），研究團隊指認了極性翻轉(zhuǎn)晶疇具有八重配位和四重配位結(jié)構(gòu)（圖4）。同時，自發(fā)極性反轉(zhuǎn)傾向于發(fā)生在(10-10)面，而不是通常認為的(0001)面。此外，由于IDBs晶格對稱性的打破，IDBs區(qū)域?qū)⑿纬裳豤軸的二維電子氣（2DEG），該導(dǎo)電通道有可能是氮化物電子器件高壓擊穿的一個潛在原因。 jeoesmc

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圖4. AlN/藍寶石界面原子結(jié)構(gòu)。（a) AlN/藍寶石界面處的HAADF-STEM圖像。界面上出現(xiàn)了原子步長和周期性的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，顯示出失配位錯陣列；（b) AlN/藍寶石界面IFFT圖像。插圖是圖a)的FFT結(jié)果；（c) 界面處AlN的c面晶格間距的定量測量結(jié)果，由于藍寶石中Al原子的晶格失配和特殊的原子配位，導(dǎo)致第1層Al-N層原子間距最大，從而導(dǎo)致平面內(nèi)晶格的收縮。氮化物/藍寶石界面的原子級生長過程示意：（d) 原始藍寶石表面的原子構(gòu)型，低鋁位被占據(jù)；（e) 氮化過程中氮原子與低位Al成鍵；（f) 高位Al位點的占據(jù)；（g) 在AlN/藍寶石界面形成的氮化物生長前端；（h) 生長逐漸演變?yōu)檎５锷L模式。jeoesmc

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圖5. IDBs原子排列的STEM截面圖。（a) IDB原子分辨iDPC圖像，極性反轉(zhuǎn)發(fā)生在(10-10)面并呈階梯狀；極性反轉(zhuǎn)區(qū)域兩側(cè)；（b) Al-polar和（c) N-polar AlN晶格iDPC圖像；（d) IDB區(qū)域的iDPC圖像及疊加的原子模型，在邊界處出現(xiàn)了八重鍵和四重鍵；（e) IDBs區(qū)域下側(cè)的iDPC圖像，表明Al極區(qū)和N極區(qū)重疊。（f) IDBs區(qū)域沿[10-10]方向的平面平均靜電勢(藍色)和總電荷密度(紅色)分布；（g) IDBs處的電荷差分密度分布圖。黃色表示電子聚集，青色表示電子耗盡，在極反轉(zhuǎn)界面可以觀察到一個明顯的電子耗竭，因此，產(chǎn)生了帶正電荷的二維空間區(qū)域。jeoesmc

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圖6. 界面晶格畸變定量分析。該工作回答了氮化物MOCVD“異質(zhì)界面構(gòu)型和原子級沉積過程”這一科學(xué)問題；闡明了氮化物晶格極性選擇和演進機制；證實了除晶格失配和熱失配之外，自然存在的IDBs是氮化物高位錯密度的另一重要起因；該工作將為新型極性異質(zhì)結(jié)體系的發(fā)展提供理論指導(dǎo)，同時為提高氮化物外延材料的質(zhì)量、優(yōu)化大功率及高頻器件的擊穿特性提供全新的思路和優(yōu)化方向。 jeoesmc

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本工作受到了國家自然科學(xué)基金委、科技部國家重點研發(fā)計劃資助項目、中科院半導(dǎo)體所青年人才項目的經(jīng)費支持。jeoesmc

第一作者：中科院半導(dǎo)體所劉志強研究員jeoesmc

共同通訊作者：北京大學(xué)高鵬教授、中科院半導(dǎo)體所楊身園副研究員，北卡大學(xué)張勇教授，中科院半導(dǎo)體所劉志強研究員jeoesmc

 *聲明：本文系原作者創(chuàng)作。文章內(nèi)容系其個人觀點，我方轉(zhuǎn)載僅為分享與討論，不代表我方贊成或認同，如有異議，請聯(lián)系后臺。jeoesmc