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 記者從北京石墨烯研究院獲悉，近期中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)/北京石墨烯研究院院長劉忠范、中科院半導(dǎo)體所研究員劉志強、北京大學(xué)物理學(xué)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(xué)氣相沉積（MOCVD），國際上首次在玻璃襯底上成功“異構(gòu)外延”出連續(xù)平整的準(zhǔn)單晶氮化鎵（GaN）薄膜，并制備藍光發(fā)光二極管（LED）。相關(guān)成果7月30日發(fā)表于《科學(xué)》子刊《科學(xué)·進展》。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)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(dǎo)體迎來發(fā)展的高峰期。一直以來，我國氮化物核心材料、器件的原始創(chuàng)新能力較為薄弱，核心專利技術(shù)不足。同時，由于缺乏同質(zhì)襯底，氮化物材料一直通過金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）在藍寶石、硅、碳化硅等單晶襯底上進行異質(zhì)外延。單晶襯底的尺寸、成本、晶格失配、熱失配、導(dǎo)熱導(dǎo)電性等限制了氮化物材料的發(fā)展。因此，擺脫傳統(tǒng)襯底限制是氮化物材料制備的瓶頸問題，也是通過自主創(chuàng)新引領(lǐng)先進半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)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(dǎo)氮化物的晶格排列，在非晶玻璃上也實現(xiàn)了高質(zhì)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(jié)構(gòu)。石墨烯的晶格引導(dǎo)作用使得玻璃上的氮化物的面外取向完全一致，面內(nèi)取向也由通常的隨機取向被限制成三種，從而得到了高質(zhì)量的準(zhǔn)單晶薄膜。他們進一步生長了藍光LED結(jié)構(gòu)，其內(nèi)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(jié)構(gòu)機械剝離并制備了柔性的LED樣品。據(jù)悉，面向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，北京石墨烯研究院在玻璃襯底上采用化學(xué)氣相沉積，發(fā)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(shù)的探索提供堅實基礎(chǔ)。

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

相關(guān)研究成果以《石墨烯玻璃晶圓準(zhǔn)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(fā)表于《科學(xué)進展》（Science Advances）（DOI: 10.1126/sciadv.abf5011）。研究工作獲得國家自然科學(xué)基金委、科學(xué)技術(shù)部國家重點研發(fā)計劃資助項目、半導(dǎo)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(nèi)取向研究。A.石墨烯上氮化物三種不同面內(nèi)取向配置的原子模型；B.石墨烯上氮化物不同面內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(yīng)力調(diào)控結(jié)果。a.In原子并入過程原子結(jié)構(gòu)模型圖；b.不同應(yīng)力狀態(tài)下In并入的DFT計算；c.GaN薄膜應(yīng)力對比；d.InGaN薄膜的PL對比；e.應(yīng)力調(diào)控及In組分提升結(jié)果