二維 (2D) 材料，特別是石墨烯和氮化物的異質(zhì)集成，為半導體器件提供了新的機遇，在制備柔性可穿戴設(shè)備，以及可轉(zhuǎn)移電子和光子器件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。由于石墨烯表面自由能低，氮化物在石墨烯表面不易成核，采用等離子體預(yù)處理或者生長緩沖層的方法難以獲得高質(zhì)量的單晶氮化物。
最近，一種新的外延技術(shù)——遠程外延有望解決這一難題。該技術(shù)是利用石墨烯的“晶格透明性”，襯底和外延層產(chǎn)生遠程的靜電相互作用，通過這種相互作用，外延層透過石墨烯可以“復制”襯底的晶格信息，從而保證外延層的晶格取向一致性。然而，關(guān)于氮化物遠程外延的生長機制和界面作用關(guān)系的相關(guān)報道還較少。
最近，一種新的外延技術(shù)——遠程外延有望解決這一難題。該技術(shù)是利用石墨烯的“晶格透明性”，襯底和外延層產(chǎn)生遠程的靜電相互作用，通過這種相互作用，外延層透過石墨烯可以“復制”襯底的晶格信息，從而保證外延層的晶格取向一致性。然而，關(guān)于氮化物遠程外延的生長機制和界面作用關(guān)系的相關(guān)報道還較少。
中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究團隊在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上發(fā)表了題為“Long-Range Orbital Hybridization in Remote Epitaxy: The Nucleation Mechanism of GaN on Different Substrates via Single-Layer Graphene”的文章。文章第一作者為博士研究生屈藝譜，合作者為徐俞副研究員、徐科研究員以及蘇州大學曹冰教授。
該團隊采用金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)在兩種覆蓋單層石墨烯（SLG）的極性襯底（Al2O3和AlN）上實現(xiàn)了氮化鎵成核層（GaN NLs）的遠程外延。研究發(fā)現(xiàn)，襯底極性對石墨烯上GaN的成核密度，表面覆蓋率和擴散常數(shù)起著關(guān)鍵作用?？紤]到表面覆蓋和襯底污染引起的成核信息差異，通過縮放的成核密度校正了這種誤差，得到了襯底極性和GaN成核密度的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)晶特性分析表明，襯底和外延層的界面外延關(guān)系不受單層石墨烯的影響，與傳統(tǒng)外延的取向關(guān)系一致。
為了揭示成核信息差異背后的物理機理，通過理論計算作者發(fā)現(xiàn)襯底增強了單層石墨烯上的Ga和N原子的吸附能，且極性較強的AlN相比Al2O3的吸附能更大，AlN和吸附原子Ga之間存在更高的差分電荷密度(CDD)。進一步通過分波態(tài)密度(PDOS)分析發(fā)現(xiàn)，盡管吸附原子Ga和襯底相距4-5埃，Al2O3和AlN中Al-3p和Ga-4p軌道在費米能級附近仍存在軌道雜化。作者認為在遠程外延中，單層石墨烯的存在不影響襯底和吸附原子之間的化學相互作用，這種遠程軌道雜化效應(yīng)正是在極性襯底上遠程外延GaN NLs的本質(zhì)。通過導電膠帶可以輕松剝離GaN NLs，而且剝離后的襯底表面沒有機械損傷，有望發(fā)展一種高質(zhì)量襯底的低成本制備技術(shù)。
該團隊采用金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)在兩種覆蓋單層石墨烯（SLG）的極性襯底（Al2O3和AlN）上實現(xiàn)了氮化鎵成核層（GaN NLs）的遠程外延。研究發(fā)現(xiàn)，襯底極性對石墨烯上GaN的成核密度，表面覆蓋率和擴散常數(shù)起著關(guān)鍵作用?？紤]到表面覆蓋和襯底污染引起的成核信息差異，通過縮放的成核密度校正了這種誤差，得到了襯底極性和GaN成核密度的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)晶特性分析表明，襯底和外延層的界面外延關(guān)系不受單層石墨烯的影響，與傳統(tǒng)外延的取向關(guān)系一致。
為了揭示成核信息差異背后的物理機理，通過理論計算作者發(fā)現(xiàn)襯底增強了單層石墨烯上的Ga和N原子的吸附能，且極性較強的AlN相比Al2O3的吸附能更大，AlN和吸附原子Ga之間存在更高的差分電荷密度(CDD)。進一步通過分波態(tài)密度(PDOS)分析發(fā)現(xiàn)，盡管吸附原子Ga和襯底相距4-5埃，Al2O3和AlN中Al-3p和Ga-4p軌道在費米能級附近仍存在軌道雜化。作者認為在遠程外延中，單層石墨烯的存在不影響襯底和吸附原子之間的化學相互作用，這種遠程軌道雜化效應(yīng)正是在極性襯底上遠程外延GaN NLs的本質(zhì)。通過導電膠帶可以輕松剝離GaN NLs，而且剝離后的襯底表面沒有機械損傷，有望發(fā)展一種高質(zhì)量襯底的低成本制備技術(shù)。
圖1. SLG/Al2O3和SLG/AlN兩種襯底的GaN NLs的SEM圖，不同的量化指標分析了成核信息的差異。
圖2. GaN/SLG/Al2O3和GaN/SLG/AlN兩種體系表面形貌的SEM圖，面外和面內(nèi)取向關(guān)系的XRD圖。
圖3. GaN/SLG/Al2O3和GaN/SLG/AlN兩種體系的界面微觀特性的HR-TEM圖。
圖4. 吸附原子Ga和N在SLG、SLG/Al2O3和SLG/AlN三種體系上的吸附能，Ga在三種體系上的CDD和PDOS圖。
圖5. 使用導電膠帶剝離GaN NLs，剝離后GaN背部和襯底表面的石墨烯拉曼信號圖。
綜上，該研究工作討論了在石墨烯調(diào)控的氮化鎵遠程外延機理，創(chuàng)新性的提出了遠程軌道雜化的概念，充分探討了GaN和襯底之間的界面關(guān)系和界面耦合特性，揭示了遠程外延的物理和化學機理，為快速、大面積制備單晶GaN薄膜拓寬了思路。
這項工作得到了國家自然科學基金國家重點項目（No. 61734008，No. 62174173）的資助。
來源：中科院蘇州納米所測試分析平臺 屈藝譜
來源：中科院蘇州納米所測試分析平臺 屈藝譜
