发明了利用高点缺陷密度层的高效阻挡位错.doc

国家自然科学奖( 2016 年度) 半导体晶格失配外延方法及相关表征手段研究 二、专家推荐意见 三、项目简介 项目属于材料科学中的半导体材料领域。 该项目针对在微电子和光电子领域中重要材料SiGe和GaN的生长和表征方法进行了长期的研究，做出了国际上有影响的工作。主要科学发现如下： 1）发明了利用高点缺陷密度层的高效阻挡位错独特方法 Si的电子迁移率是空穴的2.5倍，使得CMOS中电子和空穴SiGe上生长的Si薄膜的所谓应变硅技术，可以解决此问题。所以Si基上高质量SiGe薄膜的制备至关重要。 1991年贝尔实验室改进了组分渐变方法来制备SiGe，被当时国际上认为最成功的技术。但其关键参数都不能满足器件制作要求。本项目于1996年在国际上首次提出了在Si衬底上引入低温外延生长厚度仅50nm的高点缺陷密度Si层（LT-Si）的独特高效位错阻挡方法，获得了性能远优于贝尔实验室并满足器件要求的SiGe薄膜【他引2、3、4 该工作首次揭示了点缺陷能提供低能量的位错成核中心，起了收纳失配位错，捕获增殖位错的作用，从而利用点缺陷这一材料科学中的负面因素，成功获得了高质量的材料，为位错阻挡提供了一个全新的思路，在材料科学上有深层次的意义。 文章发表次年，著名学者Kasper在评论文章中就肯定了此方法【他引4】。之后国际上发表的有关SiGe的评论性文章几乎无例外地引用并肯定本项成果。在综评文章中，Brunner教授指出:富缺陷的Si层的方法是一新颕(novel)技术【他引5】。在之后的20年中，引用没有间断过，并被写入“半导体半金属”丛书中。其应用也已得到验证【他引1】。 2）首次用量子点实现了单芯片白光LED这一国际上的研究热点 作为新一代光源的白光发光二极管(LED)，市场上是用蓝光LED加上黄色熒光粉合成白光，但其有显色指数差、封装工艺复杂以及黄、蓝光比例隨角度变化等缺点。由单一芯片直接发出白光一直是国际上的研究热点。 本项目提出了用量子点实现单芯片白光LED的方法。 关键点是在蓝光LED结构中，插入了InGaN应力予置层，从而促使量子阱InGaN发生相分离，形成富”专栏进行了报道。著名学者8】。 3）开创性地发展了研究薄膜表面局部应力及计算膜中位错密度的新方法 将微区喇曼光谱扫描成象定量分析用于研究异质薄膜生长中普遍存在的表面十字网格，澄清了对其起因的争论，判明了是由失配位错引起的应力所产生。国际上对用该测量方法研究局部应力的有效性及实验结果予以了充分的肯定【他引5、7 首次提出了利用高倾角晶面X射线衍射摇摆曲线与Φ扫描曲线宽度平均值来测量GaN外延薄膜扭转角和位错密度的方法。避免了以往繁琐的计算和模拟，得到了国际上的认同和普遍使用【他引6】。 8篇代表性文章他引423次，单篇最高他引87次。20篇核心论文他引总数709次。 四、（） SiGe材料领域专家Kasper教授在评论文章中就引用了该技术：“在晶格失配大于1％（Ge组分大于25％）时，认为用驰豫的缓冲层和非平面的表面形貌来调节应变是主要方法。在Si衬底上生长一层弛豫的SiGe缓冲层被考虑为一个新技术，被称为虚拟衬底，其晶格常数不同于Si衬底。用这虚拟衬底技术调节了在其上的生长层的应变。但是，渐变组分缓冲层技术所提供的应变调节缓冲层，被穿透位错和（或）缓冲层太厚的因素所困扰。陈等人【代表性论文1】提出了一种低温（LT）Si缓冲层的技术，即在衬底及SiGe层之间插入一高点缺陷密度的低温Si层。结构研究指出应变集中在LT-Si层中，而不在SiGe层中，应力完全弛豫了，而且位错被抑制在厚度适中的（0.3 μm）的SiGe层之下。”（他引文4）。首次肯定了高点缺陷密度的覆盖层的位错阻挡及促进应变释放的作用。在之后的SiGe综述文章中，几乎无例外地引用并肯定了这高点缺陷密度插入层技术。2001年出版的“半导体半金属”丛书中描述了该技术：“最近，发展了一个能获得高质量SiGe层更有希望的技术【代表性论文2】，并且它的应用已得到验证。在这方法中，生长SiGe缓冲层层之前，在400℃的生长温度下、在Si衬底上，淀积50 nm厚的Si层，这一低温（LT）Si层会起着位错吸收体的作用，因此在这LT Si层上可以获得高质量500-nm的SiGe外延层，与用以往的梯度法获得的缓冲层相比，此方法获得的缓冲层不仅位错密度低得多，而且表面粗糙度也好得多。在这用LT方法生长的膺衬底上制备了以p-型Ge作沟道的调制掺杂结构，报导的室温迁移率为1300 cm2/V s，这值是p-沟道Si MOSFETs中迁移率的十倍”（他引文12002年德国K. Brunner教授在发表于《Reports on Progress in Physics》的评述文章中“一般说，位错的形成、滑移、钉扎会引入高密度的穿透位错（109