刘忠范院士：我国石墨烯玻璃晶圆氮化物材料外延取得“0到1”的原创性突破

记者从北京石墨烯研究院获悉，近期中国科学院院士、北京大学/北京石墨烯研究院院长刘忠范、中科院半导体所研究员刘志强、北京大学物理学院研究员高鹏等合作，提出了一种纳米柱辅助的范德华外延方法，利用金属有机化学气相沉积（MOCVD），国际上首次在玻璃衬底上成功“异构外延”出连续平整的准单晶氮化镓（GaN）薄膜，并制备蓝光发光二极管（LED）。相关成果7月30日发表于《科学》子刊《科学·进展》。

半导体产业是科技自立自强的底层保障。在全球信息化、5G时代以及新冠肺炎疫情的影响下，以III族氮化物为代表的先进半导体迎来发展的高峰期。一直以来，我国氮化物核心材料、器件的原始创新能力较为薄弱，核心专利技术不足。同时，由于缺乏同质衬底，氮化物材料一直通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在蓝宝石、硅、碳化硅等单晶衬底上进行异质外延。单晶衬底的尺寸、成本、晶格失配、热失配、导热导电性等限制了氮化物材料的发展。因此，摆脱传统衬底限制是氮化物材料制备的瓶颈问题，也是通过自主创新引领先进半导体产业发展的关键。

研究人员巧妙地利用石墨烯解决了该问题。他们在生长初期，利用石墨烯的晶格来引导氮化物的晶格排列，在非晶玻璃上也实现了高质量氮化物的外延。通常，玻璃上生长的氮化物上是完全杂乱无序的多晶结构。石墨烯的晶格引导作用使得玻璃上的氮化物的面外取向完全一致，面内取向也由通常的随机取向被限制成三种，从而得到了高质量的准单晶薄膜。他们进一步生长了蓝光LED结构，其内量子效率高达48.7%。此外，他们充分利用界面处弱的范德华作用力，将生长的外延结构机械剥离并制备了柔性的LED样品。据悉，面向大规模产业应用，北京石墨烯研究院在玻璃衬底上采用化学气相沉积，发展了一系列石墨烯晶圆制备方法，为氮化物变革性制备技术的探索提供坚实基础。

刘忠范表示，这一成果是典型的“从0到1”式的原创性突破，为石墨烯等二维材料的产业化应用提供了新思路，有望发展为氮化物变革性制备技术，解决先进半导体发展技术瓶颈，在新型显示、柔性电子学等领域具有重要应用前景。同时，该技术通过“异构外延”减弱了氮化物对单晶衬底的依赖，对于扩大半导体外延衬底选择范围、丰富半导体异质外延概念、实现面向后摩尔时代的片上物质组装和异构集成，具有重要意义。(记者 马爱平)

相关研究成果以《石墨烯玻璃晶圆准单晶氮化物薄膜的范德华外延》（Van der Waals Epitaxy of Nearly Single-Crystalline Nitride Films on Amorphous Graphene-Glass Wafer）为题，于7月31日在线发表于《科学进展》（Science Advances）（DOI: 10.1126/sciadv.abf5011）。研究工作获得国家自然科学基金委、科学技术部国家重点研发计划资助项目、半导体所青年人才项目的支持。

图1.石墨烯玻璃晶圆上氮化物薄膜的生长。A-F.生长过程示意图；G.纳米柱SEM图；H.GaN薄膜SEM图；I.GaN薄膜XRD表征

图2.石墨烯玻璃晶圆上氮化物薄膜的面内取向研究。A.石墨烯上氮化物三种不同面内取向配置的原子模型；B.石墨烯上氮化物不同面内取向的形成能；C-D.GaN薄膜10°及29°晶界；E.GaN薄膜每个晶粒内部高分辨TEM图；F-G.GaN薄膜晶界处的摩尔纹

图3.石墨烯-纳米柱辅助的GaN薄膜材料及界面表征。a.AFM及截面SEM；b.面外EBSD；c.面内EBSD；d.界面的SAED；e.界面的HRTEM；f.界面的EDS；g.界面的HAADF STEM；h.生长前后石墨烯Raman对比

图4.石墨烯纳米柱辅助的InGaN薄膜，In并入理论机制及应力调控结果。a.In原子并入过程原子结构模型图；b.不同应力状态下In并入的DFT计算；c.GaN薄膜应力对比；d.InGaN薄膜的PL对比；e.应力调控及In组分提升结果