非晶衬底氮化镓薄膜的范德华外延
以氮化镓、氮化铝为代表的第三代半导体是国家“十四五”规划和2035远景目标纲要中确定的重点发展方向，是我国实现半导体技术与产业弯道超车的重要机会。Ⅲ族氮化物薄膜一般利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法在蓝宝石衬底上外延制备。但是，一方面，蓝宝石与氮化物之间存在较大的晶格失配与热失配，外延薄膜质量较差，严重影响了器件的性能及可靠性，是目前宽禁带半导体制备过程中遇到的瓶颈问题；另一方面，晶体衬底本身尺寸有限、价格昂贵、不具备柔性等特征，限制了后续器件的生产成本控制及应用场景拓展。因此，摆脱对传统蓝宝石等单晶衬底的依赖是氮化物材料制备的一个重要研究方向，也将为通过外延的方式实现半导体材料异构集成提供新思路。
最近，中科院半导体研究所、北京大学、北京石墨烯研究院的研究团队利用石墨烯范德华外延的方法，在非晶玻璃衬底上成功“异构外延”出高质量的准单晶氮化镓（GaN）薄膜（图1），制备了发光器件，并且转移至柔性衬底，展示了该技术在柔性、大功率器件等领域应用的可能性。他们的核心策略就是利用石墨烯晶格作为外延模板，从而在非晶乃至任意衬底上实现半导体晶格的有序调控。
图1. 非晶玻璃上石墨烯缓冲层的晶格引导作用。
玻璃衬底具备价格低廉、无生产尺寸限制、应用场景广泛等优势。但是其非晶表面缺乏有序的原子排列，无法作为衬底约束外延材料的晶向。因此，玻璃上生长的材料往往是取向随机的多晶，无法拼接成单晶薄膜。研究人员利用范德华外延方法，在生长氮化物之前首先在玻璃上铺上一层石墨烯，借助于石墨烯晶格的引导，并辅以纳米柱缓冲层的策略（图2），有效控制了玻璃上氮化镓的外延取向得到了面外取向完全一致、面内取向只有三种的准单晶薄膜（图3）。基于该薄膜，他们制备出了高质量的平面量子阱蓝光LED器件，其内量子效率高达48.7%，为目前已知的非晶衬底上同类器件的最高纪录。进一步，利用界面处较弱的范德华力的特征，他们用机械剥离的方法将器件从玻璃衬底上剥离了下来，制备了柔性LED器件。
图2. 石墨烯玻璃晶圆上氮化物薄膜的生长。A-F.生长过程示意图；G. 纳米柱SEM图；H. GaN薄膜SEM图；I. GaN薄膜XRD表征。
图3. 石墨烯玻璃晶圆上氮化物薄膜的面内取向研究。A. 石墨烯上氮化物三种不同面内取向配置的原子模型；B. 石墨烯上氮化物不同面内取向的形成能；C-D. GaN薄膜晶界；E. GaN薄膜每个晶粒内部高分辨TEM图；F-G. GaN薄膜晶界处的摩尔纹。
解决半导体制备环节中 “卡脖子”问题，变革性的新研究思路、新制备方法是突破技术瓶颈的关键。基于石墨烯等二维材料的远程外延、范德华外延等新模式，有望为第三代宽禁带半导体材料的制备打开新的局面，在新型显示、柔性电子学等领域具有重要的应用前景；同时该技术有望通过物质组装与光电融合，为后摩尔时代提供颠覆性技术路线。
相关成果2021年7月30日发表于Science Advances（2021; 7: eabf5011）。中科院半导体研究所博士研究生任芳、北京大学前沿交叉学院博士研究生刘秉尧为论文共同第一作者。中科院半导体研究所刘志强研究员、北京大学物理学院高鹏研究员、北京大学/北京石墨烯研究院刘忠范院士为论文共同通讯作者。该工作也被科技日报、美国科学促进会等媒体报道。
上述工作得到国家重点研发计划变革性技术关键科学问题专项、国家自然科学基金委、北京大学电子显微镜实验室、半导体所青年人才项目等支持。
