半导体所照明研发中心刘志强研究员与半导体所半导体超晶格国家重点实验室、北京大学、北京石墨烯研究院等单位合作，在氮化物外延及热电能源器件领域取得系列研究进展，验证了氮化物异质异构单晶外延的可行性，提出了氮化物位错控制新思路，拓展了氮化物在高温热电领域的应用。
成果1：二硫化钨-玻璃晶圆上生长的连续单晶氮化镓薄膜
实现不依赖于衬底晶格的氮化物材料外延，有望突破衬底限制，融合宽禁带半导体材料与其他半导体材料的性能优势，为器件设计提供新的自由度。
近期，半导体所刘志强研究员、魏同波研究员、北京大学高鹏教授、北京大学-北京石墨烯研究院刘忠范院士团队强强联手共同合作。利用与氮化物晶格匹配的过渡金属硫化物为缓冲层，构筑人工生长界面，实现了非晶玻璃晶圆上的单晶薄膜制备，并实现了紫外发光器件的制备。该项工作以非晶衬底这一极端情况，验证了氮化物异质异构单晶外延的可行性。相关成果以“Continuous Single-Crystalline GaN Film Grown on WS2-Glass Wafer“为题，发表于Small，并入选期刊内封面。该研究工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金和半导体所青年人才项目的经费支持。
DOI: 10.1002/smll.202202529
图1 WS2-玻璃晶圆上单晶GaN薄膜的生长[1]
成果2：基于石墨烯中间层的高度失配远程异质外延中应力释放和位错减 少的原子机制
刃位错是氮化物材料中的代表性缺陷类型，与另外一种典型缺陷-螺位错相比，通常情况下其浓度要高一个数量级。刃位错对氮化物发光、电子器件的性能均会产生重要影响。由于氮化物与异质衬底之间固有的晶格失配，刃位错的有效抑制手段非常有限。
近期，北京大学高鹏教授、半导体所刘志强研究员、杨身园副研究员、北京大学-北京石墨烯研究院刘忠范院士联合研究团队，采用远程外延，实现了氮化物外延层中刃位错的有效降低，在原子尺度上研究了应力释放和位错密度降低的物理机制。发现无极性的石墨烯缓冲层可以削弱源于衬底的晶格势场，使得外延层能够在晶体取向得到控制的同时，其晶格也能相对自由地生长。因此，异质外延中晶格失配引起的应力得到了释放，外延层刃位错密度降低近一个数量级。在这种低应力的GaN模板上，研究人员成功制备了高In组份的InGaN/GaN量子阱，实现了黄光波段LED器件。相关成果以“Atomic Mechanism of Strain Alleviation and Dislocation Reduction in Highly Mismatched Remote Heteroepitaxy Using a Graphene Interlayer”为题，发表于Nano Letters 上。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会和半导体所青年人才项目的经费支持。
Nano Letters 22, 3364-3371(2022)
成果3：氮化镓模板上石墨烯辅助外延的高质量氮化镓薄膜
氮化物材料由于生长方法的限制具有高密度的穿透位错，这些穿透位错会充当非辐射复合中心和漏电通道，对氮化物基光电器件和电力电子器件的性能有严重的负面影响。
近期，半导体所刘志强研究员、梁萌副研究员、李晋闽研究员联合团队，采用二维材料石墨烯辅助外延的方法，实现了低应力、低位错密度的高质量GaN薄膜的外延生长，并揭示了石墨烯在界面处降低外延层中穿透位错密度的机制。发现石墨烯可以部分屏蔽衬底势场，衬底势场实现界面晶格调控的同时，其表面势场波动一定程度被削弱。因此外延层可以通过原子滑移释放部分应力，实现应力的自发驰豫。引入石墨烯二维晶体后，GaN模板中因穿透位错导致的晶格畸变在外延界面得以恢复，表现为石墨烯在界面处阻挡了穿透位错向上的扩散，因此获得了比相同衬底同质外延位错密度更低的GaN薄膜。相关成果以“Graphene-Assisted Epitaxy of High-Quality GaN Films on GaN Templates”为题，在线发表于Advanced Optical Materials上，该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金的经费支持和半导体所青年人才项目的经费支持。
DOI: 10.1002/adom.202201262
成果4：高功率效率氮化物热电器件
能源是社会经济发展永恒的主题，工业生产中消耗化石燃料产生能量的约70%以废热的形式被排放。热电转换技术能够可逆地将废热转换成电能，在提高能源利用效率和回收废弃能源方面具有重要的意义。然而，传统的窄禁带半导体材料存在高温下少数载流子激发导致的温差电动势抑制效应，工作温度较低。以GaN为代表的III族氮化物在高温热电方面展现出巨大的应用潜力。由于决定热电性能的塞贝克系数S、电导率σ、热导率k之间相互耦合和制约的关系，合理设计材料结构，采取最优化方案提高ZT值，一直是热电研究的重要课题。
中科院半导体所刘志强研究员、梁萌副研究员、北京科技大学能源与环境工程学院孙方远副教授、中科院半导体所李晋闽研究员联合团队，探索了合金化和低维超晶格结构对载流子和声子输运的调控作用，实现了电子、声子输运的有效解耦，成功制备了热电器件。ZT值优于同类器件的文献报道。该工作拓展了III族氮化物在热电方面的应用，提供了一种非常有前途的高温热电器件解决方案。相关成果以“High Power Efficiency Nitrides Thermoelectric Device”为题，在线发表于Nano Energy 上。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中科院半导体所青年人才项目的经费支持。
Nano Energy 101, 107568(2022)
