行业 | 一周晶体前沿（七十二）——宽禁带半导体

摘要：

能源、交通、航空航天和国防应用等领域所面临的极端环境问题给传感技术带来了全新的技术挑战。为了应对这一挑战，基于 AlN 单晶的压电式压力传感器被研制。本文中，基于 AlN 单晶的压电式压力传感器在高温、高压等极端环境下表现出优异的性能：在 900 ℃ 下，其电压灵敏度高达 0.4~0.5 mV/psi；在 800 ℃ 下，当输入气体压力范围为 50~200 psi 时，输出电压为 73.3~143.2 mV。传感器的灵敏度和输出电压均随温度的变化而改变，原因为：（1）膜片弹性模量的降低可提高了传感器的灵敏度；（2）自由载流子的产生降低了传感器在 800 ℃ 以上的电压输出，同理论预测相符。此外，将基于 AlN 单晶的压电式压力传感器性能与多晶 AlN、单晶 GaN 薄膜进行了对比，探究了结晶度对压电效应的重要性，以及高温压电器件中产生与带隙能量相关的自由载流子的重要性。本文中的压力传感器在工作温度 900 ℃ 下，性能为目前所报道的最优。本研究基于AlN单晶的化学稳定性、热稳定性以及抗辐射性等固有特性，为极端环境下适用的高性能传感器的制备提供了一种新的策略。

文章信息：

N. Kim, M. Yarali, M. Moradnia, et al. Piezoelectric sensors operating at very high temperatures and in extreme environments made of flexible ultrawide-bandgap single-crystalline AlN thin film. Adv. Funct. Mater., 2022, 2212538.

DOI: 10.1002/adfm.202212538

氮化镓（GaN）和氮化铝（AlN）因带隙宽、化学稳定性好、击穿电场高等优异特性而成为光电子器件、大功率高频电子器件等领域的主要半导体材料。目前，Ⅲ 族氮化物材料的制备方法主要包括物理气相传输（PVT）、化学气相沉积（CVD）和氢化物气相外延（HVPE）等高温合成手段，以及胶体合成法等低温合成手段。胶体合成法制备 III 族氮化物时，虽然在光学可调性和加工成本等方面具有显著优势，但传统胶体合成法制备纳米晶体过程中，化学键无法实现有效的重排，因此会形成杂质，影响晶体的质量，使其无法得到广泛应用。近期，美国芝加哥大学 Dmitri V. Talapin 研究团队报道了一种基于胶体合成法制备 Ⅲ 族氮化物纳米晶体的策略，即采用熔融盐和高沸点的有机溶剂使生长的 GaN 和 AlN 纳米晶体能够实现单体附着的微观可逆性。相关研究成果以“Synthesis of colloidal GaN and AlN nanocrystals in biphasic molten salt/organic solvent mixtures under high-pressure ammonia”为题发表在ACS Nano上。

摘要：

Ⅲ 族氮化物在光电子器件领域具有重要的研究和应用价值。采用 PVT、CVD 和 HVPE 等多种高温方法均能成功制备 Ⅲ 族氮化物材料。基于胶体合成法制备的 Ⅲ 族氮化物时，通过控制尺寸和形状，使其在光学可调性方面展现出显著优势；并通过可扩展的溶液体系集成器件降低加工成本。然而，目前关于胶体合成法制备 Ⅲ 族氮化物纳米晶体的报道却很少，且合成产物的质量也难以满足实际应用的需求。本文报道了一种在胶体合成法制备 Ⅲ 族氮化物时引入熔融盐的策略，为晶态 Ⅲ 族氮化物纳米材料的制备提供了一种有效途径。在较低温度（低于 300 ℃）的氨气气氛下，晶态 GaN 和 AlN 纳米材料可以在双相熔盐/有机溶剂混合物中生长，并通过使用表面有机配体的后合成处理方法在室温环境下达到稳定。研究发现，在熔盐中进行 Ⅲ 族氮化物纳米晶的成核和生长，有助于实现单体附着的微观可逆性。同时研究人员还发现，制备的 GaN 纳米晶体的尺寸随着氨气压力的增加而增大。该研究证明了熔融盐和高压反应物能够显著扩大溶液法合成无机纳米材料的化学选择范围。

文章信息：

W. Cho, Z. R. Zhou, R. M. Lin, et al. Synthesis of colloidal GaN and AlN nanocrystals in biphasic molten salt/organic solvent mixtures under high-pressure ammonia. ACS Nano, 2023, 17, 1315-1326.

DOI: 10.1021/acsnano.2c09552