天津大学微电子学院英才%28长聘%29副教授李磊 紧追前沿创新路 初心之下科研梦.pdf

2024 年第 1 期13中国高新科技TECHNOLOGY TALENT|科研达人随着电子技术的发展，宽禁带半导体 GaN 以其优越的材料特性已经发展成为涉及商用和军用的关键半导体材料。GaN基光电器件被广泛应用于照明、显示、杀菌消毒、光通信、存储、印刷和探测等领域。GaN 半导体技术已经成为全球战略竞争的制高点，目前美日欧等各国均加大了其科技投入力度。我国作为新兴科技大国，技术差距有拉大的风险，因此，国家特别在“十四五”规划中将宽禁带半导体 GaN 列为重点技术攻关项目。与此同时，我国涌现出一大批相关领域的青年科研工作者，趁着最好的时代东风，高歌猛进，为祖国的科技发展贡献力量，李磊就是其中之一。求学创新，打牢科研基础知识的专业化能够延展科研的深度，知识的多元化则能够拓宽科研创新的维度。在北京大学攻读博士期间，李磊便一直在拓展自己的知识面和科研领域，实现了多项国际性创新成果。异质外延 GaN 薄膜中的高位错密度一直是阻遏 GaN 半导体技术发展的主要瓶颈，会显著影响GaN基功能器件性能。因此，降低位错密度、提高晶体质量是重要且基本的问题，始终是氮化物宽禁带半导体研究可开发领域的核心和热点。李磊采用一种新型的叠层掩膜衬底结构，发展了一种全新的 GaN 异质外延生长方法。这种叠层掩模结构包含蓝宝石衬底（Si 或其他材料均可）、SiO2和 SiN 掩模。这种叠层掩模衬底的创新之处在于可以形成 GaN 薄膜的一步外延，成本较低，并且理论上位错可以受到有效阻挡，进而得到高质量 GaN。针对这种创新型的衬底结构，首先从理论上模拟分析了 GaN 外延薄膜的生长动力学机制，据此发展了一种全新的生长方法，实现了超低位错密度的高质量 GaN 外延膜。GaN 外延膜中的高质量区域位错密度约为 7105cm2，居于同期国际领先水平。透射电镜结果证实了这种创新型的叠层掩模结构对于位错的有效抑制。成果被国际著名化合物半导体杂志 Compound Semiconductor 以题为“Slashing Defects in GaN-on-Sapphire”做专题报道，认为此项技术为获取超高质量 GaN 外延膜铺平道路。在国外留学期间，围绕提高 AlGaN 基深紫外发光二极管中电子注入效率，李磊创新性地在有源区下方引入 AlGaN插入层，有源区的发光效率得到极大提升，光输出功率和外量子效率也提高了数倍。此外，为了提高空穴注入效率并抑制电子泄漏，李博士在有源区与电子阻挡层之间引入极薄的新型异质结构，论证了这种方法可以大大抑制电子漏电流并提高空穴注入效率，具有实用价值。他所在的研究组天津大学微电子学院英才（长聘）副教授李磊紧追前沿创新路 初心之下科研梦 文萧磊李磊，天津大学微电子学院英才（长聘）副教授，获天津大学“北洋学者英才计划”资助。博士毕业于北京大学物理学院宽禁带半导体中心，先后在日本名古屋工业大学 Si 基 GaN 先驱 Takashi Egawa 教授领导的研究组和名古屋大学诺贝尔物理学奖得主 Hiroshi Amano 教授研究组从事科研工作，主要从事氮化物宽禁带半导体材料和器件方向，在超高质量 GaN 外延膜、GaN 基电子器件及其可靠性、GaN 基短波长光电器件等领域取得了一系列突出的成果。部分成果被国际著名行业杂志 Compound Semiconductor 做专题报道或被期刊选为年度研究亮点论文，并受邀撰写综述文章。李磊参与或以科研骨干的身份参与多个中国和日本重大科研项目，累计科研经费超过 3500 万元。李磊发表 SCI 文章多篇，其中第一/通讯作者论文绝大部分发表于本领域权威期刊 Applied Physics Letters、Applied Physics Express 和 IEEE Transactions on Electron Devices，还有 2 项发明专利实现转化。人物档案 2024 年第 1 期14中国高新科技科研达人|TECHNOLOGY TALENT与日本 MOCVD 制造商 Taiyo Nippon Sanso 有紧密的合作关系，验证了外延结构和器件性能。成果被半导体行业期刊Semiconductor Science and Technology 选入年度研究亮点工作集，氮化物宽禁带半导体领域知名专家Sergey Yu.Karpov（STR Group Scientist）在 2017 年宽禁带半导体领域顶级会议 ICNS大会报告中述评了李磊的研究工作。相较于 GaN 沟道异质结器件，AlGaN 沟道异质结器件从理论上来说在短波长探测和电子器件应用领域具有更大的优势，是近年来逐渐兴起的一个研究方向。李磊在这一领域做了一系列探索：基于一种创新型的晶格匹配的 InAlN/AlGaN异质结构，并采用透明栅极，研制出波长在 300 320nm、峰值响应达到 5.4104A/W、紫外-可见光抑制比超过 104的高性能紫外探测器，在同类器件中处于领先水平。阐明了由于光生载流子的贡献，AlGaN 沟道异质结二维电子气浓度提升从而导致探测器光电流增加的机制。首次观测到 AlGaN 沟道二维电子气的发光特性。与 GaN 沟道异质结二维电子气的宽发光谱相比，AlGaN 沟道异质结二维电子气表现出强发光特性，揭示了这种强发光现象的光生载流子带间弛豫的物理机制。基于极化工程方法，李磊创新性地提出了一种极化匹配的常关型 AlGaN 沟道异质结场效应晶体管，为解决工艺瓶颈问题提供了一种替代选择；AlGaN 沟道异质结场效应晶体管具有大的击穿电压，在高温下相较于 GaN 沟道显示出更优的功率电子器件应用潜力。他所在的研究组与日本 NTT 公司有紧密的技术合作关系，NTT 公司提供外延片验证，助力AlGaN 沟道电子器件取得进展。GaN 基电子器件由于输出功率密度的提升，会带来严重的自燃效应，导致器件性能恶化，严重影响器件的可靠性和寿命。为解决这一问题，李磊通过与合作导师 Hiroshi Amano教授和半导体材料键合领域专家、东京大学 Tadatomo Suga教授合作，创新性选择高热导率的石墨材料，成功实现了与GaN晶体的高质量键合，得到低热阻GaN/石墨复合键合体系，与理论计算的结果相当吻合，表明将 GaN 与石墨键合可以大大提升器件的散热效率，具有很大的应用潜力。基于此项成果，李磊受 Nanotechnology 杂志邀请撰写综述文章。虽然成绩卓著，但身在国外的李磊始终心系我国芯片产业链的发展。相较于传统的硅半导体技术，以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体技术是我国最有希望在短期内达到世界领先水平的领域，国家投入大量资源予以支持。在这样的大背景下，他打定主意回国，开启了科研报国的新历程。目标已定，矢志迈向未来在当前的国际形势下，我国亟需实现芯片产业链“国产替代”。于是，基于在氮化物宽禁带半导体材料和器件方面具有多年的工作积累，李磊回国后便明确了自己的研究方向，拟围绕实现高性能、高集成化和高可靠性的 GaN 基光电子器件和微电子器件，进一步加强在芯片外延结构设计、器件设计及制造和可靠性等方面的应用基础和技术研究，发展新技术并力争产业化，为国家和社会发展做出贡献。李磊还将积极建立一支高水平的科研团队，加强与国内、国际科研团队的合作和交流，在主要研究方向取得一批具有广泛影响力和自主知识产权的成果。未来研究项目征程中，他们将同时考虑实验成果的“前沿性”和产业化应用的“稳定性”，让研究成果真正产生社会效益，更好地服务于国家战略和天津产业发展。“学为人师，行为世范”，作为大学教师，李磊深知自己面对的是已经成年的大学生，要成为他们进入社会前学习知识、学习做人的引路人，就要在自身言行方面树立教师威信，尊重学生，爱护学生，培养真正的国之栋梁，共同在最好的时代下矢志前行，为实现“科技强国”贡献力量。