以氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）為代表的第三代半導(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，是我國(guó)半導(dǎo)體領(lǐng)域在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中搶占未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的重要機(jī)遇。Ⅲ族氮化物薄膜一般通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法在藍(lán)寶石襯底上外延制備。然而，一方面，藍(lán)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(zhì)量較差，嚴(yán)重影響器件的性能及可靠性，成為目前寬禁帶半導(dǎo)體制備的瓶頸；另一方面，晶體襯底本身尺寸有限、價(jià)格昂貴、不具備柔性等，限制了相關(guān)器件的生產(chǎn)成本及應(yīng)用場(chǎng)景。因此，如何擺脫對(duì)傳統(tǒng)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(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所（下稱“中科院半導(dǎo)體所”）、北京石墨烯研究院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)巧妙運(yùn)用石墨烯的晶格引導(dǎo)氮化物的晶格排列，在非晶玻璃襯底上成功異構(gòu)外延出高質(zhì)量的準(zhǔn)單晶GaN薄膜，制備了發(fā)光器件，并成功地將其轉(zhuǎn)移至其他襯底上，展現(xiàn)出其在柔性電子學(xué)、大功率器件、新型顯示等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的可能性。

玻璃襯底具備大尺寸、價(jià)格低廉等自身優(yōu)勢(shì)，但由于表面缺乏有序的原子排列，無(wú)法約束外延材料的晶向，所以玻璃上生長(zhǎng)的材料往往呈取向隨機(jī)的多晶，無(wú)法拼接成單晶薄膜。為此，研究人員基于范德華外延機(jī)制的考慮，在生長(zhǎng)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(dǎo)作用，輔以納米柱為緩沖層的策略，有效地在玻璃上實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(nèi)取向也由傳統(tǒng)的完全隨機(jī)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(zhǔn)單晶薄膜。在此基礎(chǔ)上，他們制備出高質(zhì)量的平面量子阱藍(lán)光發(fā)光二極管（LED），其內(nèi)量子效率高達(dá)48.7%，為目前已知非晶襯底上同類器件的最高紀(jì)錄；進(jìn)一步利用界面處較弱的范德華作用力，簡(jiǎn)單地使用膠帶即可將器件從玻璃襯底上剝離下來(lái)，制備出柔性LED。

相關(guān)研究成果于2021年7月30日以“準(zhǔn)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(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）；中科院半導(dǎo)體所博士研究生任芳、北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院2018級(jí)博士研究生劉秉堯?yàn)楣餐谝蛔髡?，中科院半?dǎo)體所劉志強(qiáng)研究員、北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心高鵬研究員、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金及北京大學(xué)電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室和量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等支持。這一原創(chuàng)性研究對(duì)于擴(kuò)大半導(dǎo)體外延襯底選擇范圍、豐富半導(dǎo)體異質(zhì)外延概念、實(shí)現(xiàn)面向后摩爾時(shí)代的片上物質(zhì)組裝和異構(gòu)集成具有重要意義，有助于第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)打開新局面，同時(shí)也為石墨烯等二維材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了新思路。

非晶玻璃上石墨烯緩沖層的晶格引導(dǎo)作用