近期，半導(dǎo)體研究所照明研發(fā)中心劉志強(qiáng)研究員等在氮化物材料外延研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，揭示了氮化物范德華外延的物理本質(zhì)，提出了二維材料輔助的氮化物外延生長基本準(zhǔn)則；同時(shí)，提出了解決本領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)、技術(shù)問題的方案和路線。相關(guān)工作以“二維材料輔助的氮化物外延生長準(zhǔn)則（Principles for 2D Material Assisted Nitrides Epitaxial Growth）”，基于二維緩沖層的氮化物機(jī)械轉(zhuǎn)印的技術(shù)進(jìn)展（Recent Advances in Mechanically Transferable III-Nitride based on 2D Buffer Strategy）”，發(fā)表在Advanced Materials與Advanced Functional Materials上。

近年來，二維材料輔助的氮化物外延取得了巨大的進(jìn)展，并在實(shí)現(xiàn)多種功能材料異質(zhì)集成與物質(zhì)組裝方面顯示出極大的潛力。然而，由于缺乏成熟的理論框架，二維材料輔助的氮化物外延中的一些基本問題，如無懸掛鍵表面的成核機(jī)制與晶格調(diào)控起源，仍不明確，這阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展。針對這一問題，研究團(tuán)隊(duì)就多種氮化物/二維材料/襯底處的界面配置展開了研究，預(yù)測了不同種類襯底上二維材料輔助氮化物外延生長的行為，并給出了相應(yīng)的調(diào)控機(jī)制與生長前沿構(gòu)筑方案。工作成果以題為Principles for 2D Material Assisted Nitrides Epitaxial Growth，2023年3月10日在線發(fā)表于Advanced Materials期刊（DOI:10.1002/adma.202211075）。中科院半導(dǎo)體所劉志強(qiáng)研究員為文章通訊作者，中科院半導(dǎo)體所陳琪博士研究生為文章第一作者。

研究團(tuán)隊(duì)首先應(yīng)用DFT計(jì)算預(yù)測了氮化物在石墨烯覆蓋的單晶襯底上的生長行為。發(fā)現(xiàn)除“晶格透明”外，石墨烯還具有傳遞襯底勢場的能力，并通過石墨烯缺乏面內(nèi)和面外偶極矩的特性與π電子重新分布過程解釋了這一現(xiàn)象。由此確認(rèn)了在石墨烯覆蓋的單晶襯底上氮化物生長實(shí)質(zhì)上仍受到襯底晶格的調(diào)控，其機(jī)制為“遠(yuǎn)程外延”，而石墨烯則為“遠(yuǎn)程外延”的理想緩沖層。研究團(tuán)隊(duì)在石墨烯覆蓋的藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行了氮化物外延生長，其與異質(zhì)外延相一致的外延關(guān)系佐證了上述觀點(diǎn)（圖1）。

圖1. 藍(lán)寶石-石墨烯晶圓上的單晶氮化物遠(yuǎn)程外延層

研究團(tuán)隊(duì)就二維材料覆蓋的非晶襯底上的氮化物外延生長展開了研究，以探索不同二維材料對氮化物生長的調(diào)控作用。DFT計(jì)算結(jié)果表明，排除襯底晶格影響后，氮化物/二維材料界面由范德華相互作用調(diào)控，且選取晶格匹配的二維材料緩沖層對實(shí)現(xiàn)單晶氮化物范德華外延生長至關(guān)重要。由于石墨烯與氮化物間較大的晶格失配與較弱的相互作用，石墨烯難以為氮化物生長提供唯一穩(wěn)定的吸附位點(diǎn)與合適的生長勢場，最終將導(dǎo)致其上外延生長的氮化物為多晶。而與氮化物幾何匹配的WS2則是理想的氮化物范德華外延緩沖層，且考慮到晶格對稱性，其經(jīng)常出現(xiàn)的60°轉(zhuǎn)角晶界并不會(huì)影響后續(xù)氮化物的外延晶格堆疊。研究團(tuán)隊(duì)首先在石墨烯覆蓋的非晶玻璃上進(jìn)行了氮化物生長，結(jié)果表明其為多晶，且晶體取向與界面配置均與理論計(jì)算結(jié)果相吻合（圖2）。研究團(tuán)隊(duì)在WS2覆蓋的非晶玻璃上獲得了單晶氮化物外延層，證實(shí)了氮化物范德華外延的可行性，并為其提供了普適的生長界面構(gòu)筑準(zhǔn)則（圖3）。

圖2. 石墨烯-石英玻璃晶圓上多種取向并存的氮化物外延層

圖3 WS2-石英玻璃晶圓上的單晶氮化物范德華外延層

該生長方法同樣適用于近年來新興的柔性材料和器件領(lǐng)域，在可穿戴及可折疊顯示器、太陽能電池、傳感器和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等方面具有廣闊的應(yīng)用前景， 實(shí)現(xiàn)III族氮化物大面積剝離轉(zhuǎn)印技術(shù)和柔性氮化物制備是該領(lǐng)域的核心技術(shù)瓶頸。團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)介紹并討論了柔性氮化物制備的代表性進(jìn)展，以及基于二維材料的不同種類的柔性氮化物器件應(yīng)用（圖4）。總結(jié)了二維材料作為外延釋放層來制備柔性氮化物器件所面臨的挑戰(zhàn)，并提出了解決本領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)、技術(shù)問題的方案和路線。成果以題為“基于二維緩沖層的氮化物機(jī)械轉(zhuǎn)印的技術(shù)進(jìn)展（Recent Advances in Mechanically Transferable III-Nitride based on 2D Buffer Strategy）”，于 2023年1月15日在線發(fā)表于Advanced Functional Materials期刊（DOI: 10.1002/adfm.202209880），并被選為Frontispiece。中科院半導(dǎo)體所劉志強(qiáng)研究員、中科院半導(dǎo)體所伊?xí)匝嘌芯繂T、中科院半導(dǎo)體所李晉閩研究員為本文共同通訊作者，中科院半導(dǎo)體所宋武睿博士研究生為本文第一作者。

基于對氮化物生長界面方面較深入的研究，研究團(tuán)隊(duì)在高質(zhì)量氮化物外延生長方面取得進(jìn)展，藍(lán)寶石襯底氮化鎵外延材料位錯(cuò)密度降低至1.1×108 cm-2, 優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖5）。

圖4. 二維材料輔助剝離氮化物

圖5. 文獻(xiàn)報(bào)道氮化物位錯(cuò)密度結(jié)果對比

上述工作受到了國家自然科學(xué)基金委、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目、中科院半導(dǎo)體所青年人才項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。

原文鏈接：

[1] Chen, Q., Yang, K., Shi, B., Yi, X., Wang, J., Li, J., Liu, Z., Principles for 2D-Material-Assisted Nitrides Epitaxial Growth. Adv. Mater. 2023, 2211075. https://doi.org/10.1002/adma.202211075

[2] Song, W., Chen, Q., Yang, K., Liang, M., Yi, X., Wang, J., Li, J., Liu, Z., Recent Advances in Mechanically Transferable III-Nitride based on 2D Buffer Strategy. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2209880. https://doi.org/10.1002/adfm.202209880

(來源：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所)