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氮化物半導體大失配異質外延技術項目簡介
2019-02-03 中國教育和科研計算機網


北京大學沈波教授團隊“氮化物半導體大失配異質外延技術”獲國家技術發明二等獎

  項目簡介

  該項目屬于電子與通信技術學科的半導體材料與器件技術方向。氮化物寬禁帶半導體是實現短波長發光器件和高頻大功率電子器件的核心材料體系,在半導體照明、新一代移動通訊、國防軍工等領域有重大應用,是全球高技術競爭和戰略性新興產業發展的關鍵領域。

  氮化物半導體外延制備是器件和系統的基礎和核心技術。由于GaN同質襯底的稀缺,迄今氮化物半導體制備的主流方法是藍寶石等襯底上的異質外延,存在巨大的晶格失配和熱膨脹系數失配,由此導致的外延材料中高缺陷密度成為氮化物半導體技術發展的關鍵瓶頸,需結合涉及大失配異質外延體系的襯底技術、外延技術及外延層/襯底相互作用規律加以解決。

  該項目在863、973等國家和地方科技計劃的持續支持下,圍繞藍寶石襯底上氮化物半導體大失配異質外延的缺陷和應力控制這一重大問題開展了系統研究,發明了有效提升外延質量的圖形化藍寶石襯底(以下稱為PSS)新技術和外延生長新方法,制備出質量指標國際領先的氮化物半導體外延材料,建立了較為完善的氮化物半導體/PSS大失配異質外延技術體系,并實現了大規模產業應用,有力推動了我國氮化物半導體乃至第三代半導體技術和產業的發展。


北京大學沈波教授團隊“氮化物半導體大失配異質外延技術”獲國家技術發明二等獎

  技術發明點

  該項目主要技術發明點包括:

  (1)發明了光子準晶結構SiO2/Al2O3復合PSS技術,通過引入位錯阻擋機制降低GaN缺陷密度、通過提高界面折射率差提升芯片光提取效率,產業應用統計數據表明新型PSS上LED芯片較常規PSS提高出光效率5~8%;

  (2)發明了一種刻蝕和沉積動態調控的二次掩膜PSS刻蝕方法,解決了刻蝕速率和刻蝕選擇比難以同時提高的難題,刻蝕速率和選擇比均比常規方法提升約1倍,進而實現了一套制造效率比常規技術提升約30%的PSS大規模產業化制備新技術和企業/地方標準;

  (3)發明了一種納米PSS上AlN側向外延方法,解決了PSS上AlN合攏厚度大、晶向扭曲嚴重的問題,AlN外延薄膜位錯密度降至2.3×108 cm-2,是迄今國際報道最好水平,并研制出內量子效率位居國際前列的AlGaN深紫外發光量子阱結構;

  (4)發明了一種InN邊界溫度控制外延方法,解決了大失配條件下隨外延厚度增加InN龜裂和質量退化問題,InN外延薄膜室溫電子遷移率提高到3580 cm2/Vs,是迄今國際報道最高值。

  國際評價

  該項目成果得到了國際同行的高度評價。國際半導體技術權威評論網站《Semiconductor Today》對相關成果先后兩次給予專門報道和評價。

  國際頂尖晶體生長專業期刊Cryst. Eng. Comm.先后兩次以封面論文發表相關成果,包括諾貝爾獎獲得者在內的多位該領域國際知名學者對該項目成果給予了引用或評價。

  項目成果共獲得國家發明專利授權31件,發表SCI收錄論文73篇,在該領域國際學術會議上做邀請報告25次。經中國電子學會鑒定認為“該項目成果技術創新特色突出,關鍵技術達到國際領先水平”。

  項目成果培育出目前全球規模最大,集PSS研發和生產為一體的高新技術企業,近三年累計銷售超過12.7億元,新增利潤超過1.6億元,占據國內市場份額40%以上,并大量出口海外名牌企業,實現了我國氮化物半導體及其量子結構外延用高品質PSS產業從無到有的跨越。

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