宽禁带半导体研究前沿

摘要：一周晶体前沿，一周一期介绍国际权威期刊近期刊发的晶体类精选论文。为方便广大读者浏览，我们已将其摘要译成中文。本期推出由哈尔滨工业大学宋波教授精心整理的关于宽禁带半导体研究前沿。

面向科技前沿，聚焦人工晶体，汇集研究新进展！

一周晶体前沿，一周一期介绍国际权威期刊近期刊发的晶体类精选论文。为方便广大读者浏览，我们已将其摘要译成中文。本期推出由哈尔滨工业大学宋波教授精心整理的关于宽禁带半导体研究前沿。

1. 基于能带工程和铁电调制的超灵敏深紫外光探测器

2. 纤锌矿 III 族氮化物半导体巨极化的实验验证

3. AlN/Al2O3 界面处由重构铝原子层介导结构的发现

4. 通过应变诱导掺杂铷离子降低宽禁带钙钛矿的光电压损失

5. 纤锌矿铁电体中的电场诱导畴壁

6. 用于深紫外发光二极管：具有原子级平整表面的高质量超薄氮化铝层

01 基于能带工程和铁电调制的超灵敏深紫外光探测器

深紫外光电探测器在紫外成像、环境监测、军事防御和生物检测等领域有着重要应用。宽禁带半导体 Ga2O3 虽具有宽带隙（约 4.9 eV）和高击穿电场（约 8 MV/cm），但现有 Ga2O3 基光电探测器依赖高电压的雪崩倍增效应，在高电压下检测低光强度时，存在漏电和能量损耗问题。为解决这一问题，近日，北京科技大学邢献然教授研究团队通过将 10 nm Ga2O3 光敏层生长在 7 nm BaTiO3 外延层上，制备新型垂直结构的光电探测器。该光电探测器能够在低电压（4.8 V 以下）下检测到弱深紫外光强度（0.1 µW cm−2），同时具有超快响应时间，为高灵敏度、低功耗、高度集成的深紫外检测提供了创新途径。相关研究成果以“Ultrasensitive deep-ultraviolet photodetectors based on band engineering and ferroelectric modulation”为题发表在Advanced Materials上。

摘要：

宽带隙半导体作为一种深紫外敏感材料，在下一代集成器件中具有巨大的应用潜力。然而，在低供电电压和弱光强度下实现深紫外探测器的高光电响应，仍然是一个挑战。本文设计了一种新型制备方法，用于制备具有 7 nm BaTiO3 外延中间层和 10 nm Ga2O3 感光层的超灵敏垂直结构探测器，实现了在低于 4.8 V 电压下对极弱深紫外光（0.1 µW cm−2）的检测，达成了高达 1.1 A·W−1 的响应率及超快的响应速度（上升/衰减时间为 0.24 µs/33.4 µs）。在零偏压下，也可实现 3.8 mA·W−1 的响应率。通过 BaTiO3 中间层使导带偏移增大，有效抑制了暗电流，同时，通过单向导通价带的偏移，实现了光电流的增大。对于零偏压下的光电响应，BaTiO3 的铁电极化电场起到了主要作用。本研究结果为超越传统的高灵敏度、低功耗和高度集成的深紫外探测提供了新路径。

文章信息：

H. Wu, L. C. Shu, Q. H. Zhang, et al. Ultrasensitive deep-ultraviolet photodetectors based on band engineering and ferroelectric modulation. Adv. Mater., 2025: 2412717.

DOI: 10.1002/adma.202412717

02 纤锌矿 III 族氮化物半导体巨极化的实验验证

III 族氮化物半导体材料具备宽且可调的带隙、优异的物理和化学稳定性及良好的电学性能，是光电子器件、高温与高功率器件、高频与高功率电子器件的核心材料。III 族氮化物半导体材料具有非中心对称的纤锌矿结构，可以发生自发极化和压电极化效应，其中极化调控是推动 III 族氮化物半导体器件创新的关键。近年来以钪铝氮（ScAlN）为代表的纤锌矿氮化物铁电半导体，打破了人们对氮化物半导体极化的传统认知，展现出远超预期的极化强度，刷新了研究人员对 III 族氮化物半导体极化效应的固有印象。针对这一科学问题，北京大学王新强教授、王平教授和王涛高级工程师研究团队克服了实验验证晶体自发极化的挑战，通过局部及宏观极化表征，确定了自发极化和晶格极性之间的内在相关性，建立了关于 III 氮化物半导体极化的统一观点，证实了纤锌矿氮化物半导体的巨极化效应。相关研究成果以“Experimental determination of giant polarization in wurtzite III-nitride semiconductors”为题发表在Nature Communications上。

摘要：

过去几十年，极化工程变革了 III 族氮化物半导体的光子和电子特性。最近，在纤锌矿结构 III 族氮化物中发现的巨铁电极化效应，使得长期以来的理论范式面临挑战。本文通过实验阐明了 III 族氮化物中的极化特性（包括其大小和方向），以及其与晶格极性的关系。实验测得金属极性纤锌矿氮化物的极化值超过1 C/m2，取向向上，这一实验结果与近期的理论预测结果相一致。为了解释这些发现，本文基于中心对称的层状六方参考结构，建立了一个统一的极化框架。该统一极化框架重新定义了当前 GaN 异质结、量子结构及铁电异质结中的极化特性。此外，本文提出预测，铁电 ScAlN/GaN 异质结构中的载流子浓度具有显著的可调性和大幅提升的潜力，这预示着高功率、高频及可重构晶体管和非易失性存储器可能取得的重大研究进展。本研究填补了对传统纤锌矿氮化物和铁电纤锌矿氮化物中极化效应理解的关键空白，提供了基础性见解，为下一代光子、电子和声学器件的发展提供新的研究方向。

文章信息：

H. T. Ye, P. Wang, R. Wang, et al.Experimental determination of giant polarization in wurtzite III-nitride semiconductors. Nat. Commun., 2025, 16(1): 3863.

DOI: 10.1038/s41467-025-58975-0

03 AlN/Al2O3 界面处由重构铝原子层介导结构的发现

纤锌矿型氮化铝（AlN）是第四代半导体的代表材料，具有 6.2 eV 的宽带隙，可广泛应用于光电器件中，特别是发光二极管和深紫外光电器件。考虑到生产成本等问题，具有同样六方晶体结构的 α-Al2O3，几乎是 AlN 外延生长的唯一选择。然而，形成异质结时，AlN 和 Al2O3 之间的晶格失配会导致界面处出现许多失配位错，在原子尺度下，将界面结构与异质结性质相互关联，是解决异质结界面性能及晶体生长问题的关键。近日，吉林大学张伟教授、张立军教授研究团队与中国科学院长春光学精密机械与物理研究所黎大兵研究员研究团队合作，研究了 AlN/Al2O3 异质结界面处的原子重构。通过电子显微技术、理论计算与模拟相结合的方法，探究了大晶格失配体系中经典 Al—O—N 界面的原子尺度结构特征。明确了界面处 O/N原子比为 1:2，带隙的减小主要归因于 Al—O 键的减弱。这项研究结果加深了对复杂界面行为的理解，为定制异质结特性以实现高级应用提供了理论支持。相关研究成果以“Discovery of a structure mediated by a reconstructed aluminum atomic layer at an AlN/Al2O3 interface”为题发表在Nano Letters上。

摘要：

材料界面处常常表现出各种异常的物理现象。界面上高度复杂的原子排列对材料性能起着至关重要的影响。然而，逐个原子地精确识别其结构特征始终是一个重大挑战。本研究结合电子显微镜、理论计算和模拟方法，研究了在大晶格失配系统中经典 Al—O—N 界面的原子尺度结构特征。通过像差校正扫描透射电子显微镜，观察到了由 Al 原子介导的重构原子层。通过电子能量损失谱分析，在界面区域确认了 Al—O 键和 Al—N 键的存在。与第一性原理计算结果一致，明确了界面处 O/N 的原子比为 1:2，并且确定了带隙的减小主要归因于 Al—O 键的减弱。本研究提供了一个明确的案例，有助于加深对复杂界面的理解。

文章信息：

Z. Jiang, Z. J. Huang, Q. Liang, et al.Discovery of a structure mediated by a reconstructed aluminum atomic layer at an AlN/Al2O3 interface. Nano Lett., 2025.

DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c01842

04 通过应变诱导掺杂铷离子降低宽禁带钙钛矿的光电压损失

钙钛矿太阳能电池是发展最快的光伏技术，其认证功率转换效率为 26.7%。在宽带隙钙钛矿顶部电池与窄带隙底部电池相结合的串联电池中，宽带隙钙钛矿能提供更高的开路电压（VOC），然而，宽带隙钙钛矿中容易出现多卤素组分分布不均，进而在光照下诱导相分离，严重影响器件的性能与稳定性。为了实现复杂组分体系中元素的均匀分布、有效抑制光致相分离和光电压损失，近日，瑞士洛桑联邦理工学院 Michael Grätzel 教授、Lukas Pfeifer 教授研究团队与南京航空航天大学宣益民院士研究团队合作，凭借钙钛矿薄膜材料的晶格应变将 Rb 离子锁定在三卤化物宽带隙钙钛矿的 α 相中，从而提升了元素分布的均匀性，有效提高了离子迁移势垒，防止其分裂成非钙钛矿 Rb-Cs 富含相。相关研究成果以“Strain-induced rubidium incorporation into wide-bandgap perovskites reduces photovoltage loss”为题发表在Science上。

摘要：

A 位阳离子掺杂可以增强宽带隙钙钛矿的光伏性能，但 Rb 离子的掺杂通常会形成非钙钛矿相。本研究通过晶格应变将 Rb 离子锁定在三卤化物宽带隙钙钛矿晶格的 α 相中，防止其相分离成富含 Rb-Cs 的非钙钛矿相。该过程与 Cl 离子的容纳相互配合，促进了整个薄膜体积内卤化物的均质化。研究得到，1.67 eV 的宽带隙钙钛矿在 1 倍太阳辐照下的光致发光量子产率超过 14%，对应的准费米能级分裂约为 1.34 eV。制备 VOC 为 1.30 V的宽带隙钙钛矿太阳能电池，达到了理论辐射 VOC 极限的 93.5%，代表了相对于宽带隙钙钛矿中观察到的理论极限的最低光电压损失。

文章信息：

L. K. Zheng, M. Y. Wei, F. T. Eickemeyer, et al.Strain-induced rubidium incorporation into wide-bandgap perovskites reduces photovoltage loss. Sci., 2025, 388(6742): 88-95.

DOI: 10.1126/science.adt3417

05 纤锌矿铁电体中的电场诱导畴壁

在纤锌矿氮化物半导体中发现的铁电性引发了电子学、压电学和光子学界的关注，纤锌矿铁电材料具有变革下一代微电子学的潜力。但对纤锌矿铁电体中畴壁的确切构型及其电子特性的认知缺失阻碍了纤锌矿铁电体在功能性纳米器件中的实际应用。针对这一挑战，美国密歇根大学 Zetian Mi 和 Emmanouil Kioupakis 研究团队在镓铝氮化物（ScGaN）中实现了电场诱导的畴壁极性切换，并揭示了铁电 ScGaN 中电子感应畴壁的原子构型及电子特性，首次揭示了电场诱导的垂直畴壁和水平畴壁的原子结构。在 180° 的水平畴壁中，首次发现了具有屈曲二维六边形相的带电畴壁，这种结构在禁带内进一步产生了前所未有的中间能量态。此外，本研究还展示了 ScGaN 中导电畴壁的可重构特性，这为氮化物铁电材料在超小型器件中的应用提供了新的技术路径。相关研究成果以“Electric-field-induced domain walls in wurtzite ferroelectrics”为题发表在Nature上。

摘要：

纤锌矿铁电材料在下一代微电子器件中具有变革性的潜力。调控纤锌矿铁电材料的铁电特性和开发其在器件中的功能特性，全面理解纤锌矿铁电材料的铁电性能和畴壁能至关重要。尽管研究人员对该领域的研究兴趣持续上升，但纤锌矿铁电材料中畴壁的确切构型和电子结构仍不清楚。本文通过结合透射电子显微镜和理论计算，揭示了在铁电 ScGaN 中由电场诱导的畴壁的原子构型和电子性质。发现了 ScGaN 中具有屈曲二维六边形相的带电畴壁。密度泛函理论计算进一步证实，这种畴壁结构会在禁带中产生前所未有的中间能量态。定量分析还揭示了一种普遍的电荷补偿机制，该机制可以稳定铁电材料中的反极性畴壁，180° 畴壁处的极化不连续性通过未结合的价电子得到补偿。此外，本研究还揭示了 ScGaN 中导电畴壁的可重构特性，展示了纤锌矿铁电材料在超尺度器件中的应用潜力。

文章信息：

D. Wang, D. H. Wang, M. Molla, et al.Electric-field-induced domain walls in wurtzite ferroelectrics. Nat., 2025: 1-7.

DOI: 10.1038/s41586-025-08812-7

06 用于深紫外发光二极管：具有原子级平整表面的高质量超薄氮化铝层

近年来，大晶格失配体系的异质外延技术取得了突出进展，为新型半导体应用提供了更广阔的前景。然而，由于晶格失配和热膨胀失配的存在，在异质衬底上获得高质量的超薄外延薄膜仍然面临诸多挑战。超薄外延薄膜的表面平整度、缺陷密度和薄膜厚度等因素有着相互制约和平衡的关系。外延层的非原位高温退火（HTA）技术被证实能够有效改善外延薄膜的晶体质量，对薄膜厚度具有较好的包容性。然而，HTA-AlN 中热膨胀失配诱导的压缩应变会导致外延过程中制备的 AlGaN 出现严重的表面粗糙和晶体降解。如何在具有大晶格失配的异质衬底上获得超薄、超平整且适当应变的单晶 AlN 层，仍是实现高质量光电器件的关键挑战。近日，北京大学王新强教授团队通过高温退火技术成功获得了原子级平整的超薄单晶 AlN 层，首次发现退火 AlN 层中存在一个厚度依赖的晶体质量阈值区域，表现为从多晶到单晶结构的过渡，获得的 AlN 层在 5 µm × 5 µm 扫描区域内显示出低达 0.2 nm 的均方根粗糙度和低穿透位错密度（约 2.6 × 109 cm−2）。采用这种超平整的 AlN 薄膜，成功实现了低厚度的深紫外光发光二极管（DUV-LED）器件结构，标志着超薄 AlN 缓冲层在光电器件中的应用迈出了重要一步。相关研究成果以“High quality, ultrathin AlN layers with atomically flat surface for deep UV LED”为题发表在Advanced Functional Materials上。

摘要：

在具有较大晶格失配和热失配的异质外延系统中，要在非常有限的外延厚度范围内平衡晶体质量、表面形貌和应变极具挑战性。因此，在异质衬底上实现具有原子级平整表面的超薄、高质量的单晶外延层鲜有报道，因为大多数器件都需要较厚的外延片。本研究以 AlN/蓝宝石体系为例，在蓝宝石衬底上成功生长出高质量、晶圆级的超薄 AlN 单晶层。所制备的 AlN 层最薄可达 50 nm，展现出优越的低穿透位错密度（2.6 × 109 cm−2）及台阶流形态。此外，这种超薄 AlN 单晶层在外延 DUV-LED 方面表现出巨大的潜力。通过优化应变条件，制备了一种具有 150 nm AlN 缓冲层的高性能 DUV-LED，显著降低了传统技术要求的 AlN 厚度（超过 2 µm）。具体而言，该 DUV-LED 表现出优异的性能，包括 27.8 mW 的光输出功率和 3.95% 的壁插效率。采用研究成果构建了一个高质量、低成本且可扩展的 III 族氮化物半导体器件平台，为先进深紫外光电子器件的制备奠定了基础。这一突破攻克了在失配衬底上生长超薄膜外延的难关，显著减少了材料使用量和加工时间。

文章信息：

S. F. Liu, T. X. Lu, Ye. Yuan, et al.High quality, ultrathin AlN layers with atomically flat surface for deep UV LED. Adv. Funct. Mater., 2025: 2503580.

DOI: 10.1002/adfm.202503580

编辑丨刘淑雅

本期编译