半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)過長期發(fā)展，已進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”，“超越摩爾定律”迎來了高潮，未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需跳出原有框架尋求新的路徑。面對這些機(jī)遇和挑戰(zhàn)，寬禁帶先進(jìn)半導(dǎo)體等基礎(chǔ)材料的制備也在孕育突破，新材料、新工藝和異構(gòu)集成等將成為后摩爾時(shí)代的重要技術(shù)路線（圖1）。

圖1 異構(gòu)外延為后摩爾時(shí)代多種半導(dǎo)體異構(gòu)集成、多功能融合開辟了新途徑

 

近期，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所照明研發(fā)中心與北京大學(xué)、北京石墨烯研究院、北卡大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)合作，實(shí)現(xiàn)了石墨烯玻璃晶圓氮化物“異構(gòu)外延”突破，證實(shí)了氮化物外延擺脫襯底限制的可能性，為不同半導(dǎo)體材料之間的異構(gòu)集成提供了新思路。研究人員提出一種納米柱輔助的范德華外延方法，利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD），首次在玻璃襯底上成功外延出連續(xù)平整的準(zhǔn)單晶氮化鎵（GaN）薄膜，并制備出藍(lán)光發(fā)光二極管（LED）。

 

研究人員在非晶玻璃襯底上插入石墨烯層，為后續(xù)氮化物的生長提供外延取向關(guān)系。在生長初期通過石墨烯層有效引導(dǎo)氮化物的晶格排列，避免了非晶襯底上氮化物生長通常呈現(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，解決了石墨烯表面氮化物晶粒堆積的問題，通過三維-二維的生長模式切換，先縱向生長垂直的納米柱再誘導(dǎo)其橫向合并，成功實(shí)現(xiàn)了連續(xù)而平整的氮化鎵薄膜（圖2）。

圖2 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

 

由于沒有襯底晶格的影響，在非晶襯底上外延氮化物為研究范德華外延理論機(jī)制提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，研究人員通過第一性原理（DFT）計(jì)算及相應(yīng)的TEM實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了石墨烯晶格可以很好地誘導(dǎo)界面處氮化物的晶格排列，形成一致的c軸面外取向及三種不同的面內(nèi)取向，且石墨烯/氮化物異質(zhì)界面為典型的范德華界面（圖3）。研究人員在這種準(zhǔn)單晶的氮化鎵薄膜上進(jìn)一步生長了藍(lán)光LED，其內(nèi)量子效率達(dá)到48.67%。借助石墨烯/氮化物界面處弱的范德華相互作用，研究人員將生長的外延結(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。

圖3 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(gè)晶粒內(nèi)部高分辨TEM圖；F-G.GaN薄膜晶界處的摩爾紋

 

該研究實(shí)現(xiàn)了“異構(gòu)外延”概念，證實(shí)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、功能融合開辟了道路。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(jìn)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目、半導(dǎo)體所青年人才項(xiàng)目的支持。

 

此外，該方法同樣適用于高In組分氮化物材料的制備，研究人員通過界面應(yīng)力調(diào)控，采用石墨烯作為晶格透明層（lattice-transparent layer），建立應(yīng)力釋放的生長前端，部分克服氮化物晶格中銦并入難的問題，在高In組分氮化物材料外延領(lǐng)域取得進(jìn)展。與傳統(tǒng)制備方法比較，InGaN薄膜的In組分提高30.7%（圖4-5）。該工作提出了一種具有普適性意義的提高Ⅲ族氮化物In組分并入的方法，為拓展氮化物在全彩顯示、全光譜健康光源、熱電能源器件等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新思路。高In組分氮化物外延相關(guān)研究結(jié)果以《石墨烯-納米柱增強(qiáng)的準(zhǔn)范德華外延來實(shí)現(xiàn)高銦組分氮化物薄膜》（Graphene-Nanorod Enhanced Quasi-Van Der Waals Epitaxy for High Indium Composition Nitride Films）為題，于3月31日在線發(fā)表在Small（DOI: 10.1002/smll.202100098）上。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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、半導(dǎo)體所青年人才項(xiàng)目的支持。

 

圖4 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5 石墨烯納米柱輔助的InGaN薄膜，In并入理論機(jī)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(jì)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