半導(dǎo)體所在面向后摩爾時(shí)代的半導(dǎo)體材料“異構(gòu)外延”領(lǐng)域取得新進(jìn)展

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，已然進(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)展需要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，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)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)集成提供了一個(gè)新的思路。研究團(tuán)隊(duì)提出了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），國際上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，他們成功將生長的外延結(jié)構(gòu)，大面積、機(jī)械剝離至2inch聚合物襯底，完成柔性LED樣品制備。

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。

此項(xiàng)工作實(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。

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-transparentlayer），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。

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。

上述工作以 “石墨烯玻璃晶圓準(zhǔn)單晶氮化物薄膜的范德華外延（Vander Waals Epitaxy of Nearly Single-Crystalline Nitride Films on AmorphousGraphene-Glass Wafer）”為題，于 2021年7月31日在線發(fā)表于《科學(xué)》子刊《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）。（DOI:10.1126/sciadv.abf5011）

中科院半導(dǎo)體所劉志強(qiáng)研究員、北京大學(xué)高鵬研究員、北京大學(xué)/北京石墨烯研究院劉忠范院士為本文共同通訊作者，半導(dǎo)體所任芳博士研究生、北京大學(xué)劉秉堯博士研究生為共同一作。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。

高In組分氮化物外延相關(guān)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-NanorodEnhanced Quasi-Van Der Waals Epitaxy for High Indium Composition Nitride Films）”為題，于2021年3月31日在Small上在線發(fā)表。（DOI:10.1002/smll.202100098）

中科院半導(dǎo)體所劉志強(qiáng)研究員、伊?xí)匝嘌芯繂T，北京大學(xué)高鵬研究員、北京大學(xué)/北京石墨烯研究院劉忠范院士為本文共同通訊作者，半導(dǎo)體所張碩博士研究生、北京大學(xué)劉秉堯博士研究生為共同一作。該研究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。