氮化鎵（GaN）材料作為寬禁帶第三代半導(dǎo)體，是國(guó)家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中確定的重點(diǎn)發(fā)展方向。
目前，載流子薄膜通常通過金屬有機(jī)物理液相沉積（MOCVD）方式在藍(lán)寶石襯底上外延制備。但是，一方面，藍(lán)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(zhì)量較差，嚴(yán)重影響元件的性能及可靠性，成為目前寬禁帶半導(dǎo)體制備的困局。另一方面，晶體襯底本身規(guī)格有限、價(jià)格高昂、不具備柔性等，限制了相關(guān)元件的生產(chǎn)成本及應(yīng)用場(chǎng)景。
為此，怎么甩掉對(duì)傳統(tǒng)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(guó)科大學(xué)半導(dǎo)體研究所照明研制中心與上海學(xué)院、北京石墨烯研究院、北卡學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)合作，實(shí)現(xiàn)了石墨烯玻璃晶片硫化物“異構(gòu)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(jī)物理液相沉積（MOCVD），首次在玻璃襯底上成功外延出連續(xù)平整的準(zhǔn)單晶硅氮化鎵（GaN）薄膜，并制備出藍(lán)光發(fā)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(xù)硫化物的生長(zhǎng)提供外延取向關(guān)系。在生長(zhǎng)早期通過石墨烯層有效引導(dǎo)硫化物的晶格排列，防止了非晶襯底上硫化物生長(zhǎng)一般呈現(xiàn)的、雜亂無序的多晶結(jié)構(gòu)。同時(shí)，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(zhǎng)模式切換薄膜制備，先橫向生長(zhǎng)垂直的納米柱再誘導(dǎo)其縱向合并，成功實(shí)現(xiàn)了連續(xù)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(zhǎng)
A-F.生長(zhǎng)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(zhǔn)單晶硅的氮化鎵薄膜上進(jìn)一步生長(zhǎng)了藍(lán)光LED，其內(nèi)量子效率達(dá)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(zhǎng)的外延結(jié)構(gòu)大面積、機(jī)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(shí)現(xiàn)了“異構(gòu)外延”概念，否認(rèn)了異構(gòu)襯底實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料外延的可行性，為擴(kuò)大半導(dǎo)體材料外延襯底選擇范圍及后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體異構(gòu)集成、功能融合開辟了公路。
相關(guān)研究成果以《石墨烯玻璃晶片準(zhǔn)單晶硅硫化物薄膜的范德華外延》為題，于7月31日在線發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。