物理學院量子材料科學中心高鵬研究員與合作者首次在玻璃襯底上異質外延出準單晶氮化鎵薄膜

物理學院量子材料科學中心高鵬研究員與合作者巧妙運用石墨烯的晶格引導氮化物的晶格排列,在非晶玻璃襯底上成功異構外延出高質量的準單晶氮化鎵薄膜,并制備發光器件。相關研究成果于2021年7月30日在線發表于《科學·進展》(Science Advances)。

以氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)為代表的第三代半導體是國家“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要中確定的重點發展方向,是我國半導體領域在新一輪科技革命和產業變革中搶占未來競爭制高點的重要機遇。Ⅲ族氮化物薄膜一般通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)方法在藍寶石襯底上外延制備。然而,一方面,藍寶石與氮化物之間存在較大的晶格失配與熱失配,外延薄膜質量較差,嚴重影響器件的性能及可靠性,成為目前寬禁帶半導體制備的瓶頸;另一方面,晶體襯底本身尺寸有限、價格昂貴、不具備柔性等,限制了相關器件的生產成本及應用場景。因此,如何擺脫對傳統單晶襯底的依賴是氮化物材料制備的一大難題。

最近,北京大學、中國科學院半導體研究所(下稱“中科院半導體所”)、北京石墨烯研究院聯合研究團隊巧妙運用石墨烯的晶格引導氮化物的晶格排列,在非晶玻璃襯底上成功異構外延出高質量的準單晶GaN薄膜,制備了發光器件,并成功地將其轉移至其他襯底上,展現出其在柔性電子學、大功率器件、新型顯示等領域廣泛應用的可能性。

玻璃襯底具備大尺寸、價格低廉等自身優勢,但由于表面缺乏有序的原子排列,無法約束外延材料的晶向,所以玻璃上生長的材料往往呈取向隨機的多晶,無法拼接成單晶薄膜。為此,研究人員基于范德華外延機制的考慮,在生長氮化物之前首先在玻璃上鋪一層石墨烯,借助石墨烯晶格的引導作用,輔以納米柱為緩沖層的策略,有效地在玻璃上實現了對氮化鎵取向的控制,以及玻璃上氮化物面外取向完全一致、面內取向也由傳統的完全隨機性被限制成僅為三種,從而得到晶界種類只有三種且密度很低的準單晶薄膜。在此基礎上,他們制備出高質量的平面量子阱藍光發光二極管(LED),其內量子效率高達48.7%,為目前已知非晶襯底上同類器件的最高紀錄;進一步利用界面處較弱的范德華作用力,簡單地使用膠帶即可將器件從玻璃襯底上剝離下來,制備出柔性LED。

相關研究成果于2021年7月30日以“準單晶氮化物薄膜在石墨烯玻璃上的范德華外延制備”(Van der Waals epitaxy of nearly single-crystalline nitride films on amorphous graphene-glass wafer)為題發表于《科學·進展》(Science Advances);中科院半導體所博士研究生任芳、北京大學前沿交叉學科研究院2018級博士研究生劉秉堯為共同第一作者,中科院半導體所劉志強研究員、北京大學物理學院量子材料科學中心高鵬研究員、北京大學化學與分子工程學院/北京石墨烯研究院劉忠范院士為共同通訊作者。

上述工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金及北京大學電子顯微鏡實驗室和量子物質科學協同創新中心等支持。這一原創性研究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,有助于第三代寬禁帶半導體產業打開新局面,同時也為石墨烯等二維材料的產業化應用提供了新思路。

非晶玻璃上石墨烯緩沖層的晶格引導作用

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