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 記者從北京石墨烯研究院獲悉，近期中國科學院院士、北京大學/北京石墨烯研究院院長劉忠范、中科院半導體所研究員劉志強、北京大學物理學院研究員高鵬等合作，提出了一種納米柱輔助的范德華外延方法，利用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD），國際上首次在玻璃襯底上成功“異構外延”出連續平整的準單晶氮化鎵（GaN）薄膜，并制備藍光發光二極管（LED）。相關成果7月30日發表于《科學》子刊《科學·進展》。

半導體產業是科技自立自強的底層保障。在全球信息化、5G時代以及新冠肺炎疫情的影響下，以III族氮化物為代表的先進半導體迎來發展的高峰期。一直以來，我國氮化物核心材料、器件的原始創新能力較為薄弱，核心專利技術不足。同時，由于缺乏同質襯底，氮化物材料一直通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）在藍寶石、硅、碳化硅等單晶襯底上進行異質外延。單晶襯底的尺寸、成本、晶格失配、熱失配、導熱導電性等限制了氮化物材料的發展。因此，擺脫傳統襯底限制是氮化物材料制備的瓶頸問題，也是通過自主創新引領先進半導體產業發展的關鍵。

研究人員巧妙地利用石墨烯解決了該問題。他們在生長初期，利用石墨烯的晶格來引導氮化物的晶格排列，在非晶玻璃上也實現了高質量氮化物的外延。通常，玻璃上生長的氮化物上是完全雜亂無序的多晶結構。石墨烯的晶格引導作用使得玻璃上的氮化物的面外取向完全一致，面內取向也由通常的隨機取向被限制成三種，從而得到了高質量的準單晶薄膜。他們進一步生長了藍光LED結構，其內量子效率高達48.7%。此外，他們充分利用界面處弱的范德華作用力，將生長的外延結構機械剝離并制備了柔性的LED樣品。據悉，面向大規模產業應用，北京石墨烯研究院在玻璃襯底上采用化學氣相沉積，發展了一系列石墨烯晶圓制備方法，為氮化物變革性制備技術的探索提供堅實基礎。

劉忠范表示，這一成果是典型的“從0到1”式的原創性突破，為石墨烯等二維材料的產業化應用提供了新思路，有望發展為氮化物變革性制備技術，解決先進半導體發展技術瓶頸，在新型顯示、柔性電子學等領域具有重要應用前景。同時，該技術通過“異構外延”減弱了氮化物對單晶襯底的依賴，對于擴大半導體外延襯底選擇范圍、豐富半導體異質外延概念、實現面向后摩爾時代的片上物質組裝和異構集成，具有重要意義。(記者 馬愛平)

相關研究成果以《石墨烯玻璃晶圓準單晶氮化物薄膜的范德華外延》（Van der Waals Epitaxy of Nearly Single-Crystalline Nitride Films on Amorphous Graphene-Glass Wafer）為題，于7月31日在線發表于《科學進展》（Science Advances）（DOI: 10.1126/sciadv.abf5011）。研究工作獲得國家自然科學基金委、科學技術部國家重點研發計劃資助項目、半導體所青年人才項目的支持。

圖1.石墨烯玻璃晶圓上氮化物薄膜的生長。A-F.生長過程示意圖；G.納米柱SEM圖；H.GaN薄膜SEM圖；I.GaN薄膜XRD表征

圖2.石墨烯玻璃晶圓上氮化物薄膜的面內取向研究。A.石墨烯上氮化物三種不同面內取向配置的原子模型；B.石墨烯上氮化物不同面內取向的形成能；C-D.GaN薄膜10°及29°晶界；E.GaN薄膜每個晶粒內部高分辨TEM圖；F-G.GaN薄膜晶界處的摩爾紋

圖3.石墨烯-納米柱輔助的GaN薄膜材料及界面表征。a.AFM及截面SEM；b.面外EBSD；c.面內EBSD；d.界面的SAED；e.界面的HRTEM；f.界面的EDS；g.界面的HAADF STEM；h.生長前后石墨烯Raman對比

圖4.石墨烯納米柱輔助的InGaN薄膜，In并入理論機制及應力調控結果。a.In原子并入過程原子結構模型圖；b.不同應力狀態下In并入的DFT計算；c.GaN薄膜應力對比；d.InGaN薄膜的PL對比；e.應力調控及In組分提升結果