氮化鎵（GaN）材料作為寬禁帶第三代半導體，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。
目前，載流子薄膜通常通過金屬有機物理液相沉積（MOCVD）方式在藍寶石襯底上外延制備。但是，一方面，藍寶石與硫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，嚴重影響元件的性能及可靠性，成為目前寬禁帶半導體制備的困局。另一方面，晶體襯底本身規格有限、價格高昂、不具備柔性等，限制了相關元件的生產成本及應用場景。
為此，怎么甩掉對傳統單晶硅襯底的依賴是硫化物材料制備的一大困局。
近日，中國科大學半導體研究所照明研制中心與上海學院、北京石墨烯研究院、北卡學院的科研團隊合作，實現了石墨烯玻璃晶片硫化物“異構外延”突破。研究人員提出一種納米柱輔助的范德華外延方式薄膜制備，借助金屬有機物理液相沉積（MOCVD），首次在玻璃襯底上成功外延出連續平整的準單晶硅氮化鎵（GaN）薄膜，并制備出藍光發光晶閘管（LED）。
研究人員在非晶玻璃襯底上插入石墨烯層，為后續硫化物的生長提供外延取向關系。在生長早期通過石墨烯層有效引導硫化物的晶格排列，防止了非晶襯底上硫化物生長一般呈現的、雜亂無序的多晶結構。同時，納米柱緩沖層的引入，解決了石墨烯表面鈣鈦礦碳化物堆積的問題，通過三維-二維的生長模式切換薄膜制備，先橫向生長垂直的納米柱再誘導其縱向合并，成功實現了連續而平整的氮化鎵薄膜。
石墨烯玻璃晶片上硫化物薄膜的生長
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
研究人員在這些準單晶硅的氮化鎵薄膜上進一步生長了藍光LED，其內量子效率達到48.67%。利用石墨烯/硫化物界面處弱的范德華互相作用，研究人員將生長的外延結構大面積、機械剝離至2inch聚合物襯底，完成了柔性LED樣品的制備。
該研究實現了“異構外延”概念，否認了異構襯底實現半導體材料外延的可行性，為擴大半導體材料外延襯底選擇范圍及后摩爾時代半導體異構集成、功能融合開辟了公路。
相關研究成果以《石墨烯玻璃晶片準單晶硅硫化物薄膜的范德華外延》為題，于7月31日在線發表于《科學進展》。