北大物理学院量子材料科学中心高鹏研究员与合作者首次在玻璃衬底上异质外延出准单晶氮化镓薄膜

日期:2021-08-18     来源:北京大学新闻网    
核心提示:北京大学物理学院量子材料科学中心高鹏研究员与合作者巧妙运用石墨烯的晶格引导氮化物的晶格排列,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薄膜,并制备发光器件。相关研究成果于2021年7月30日在线发表于《科学·进展》
 北京大学物理学院量子材料科学中心高鹏研究员与合作者巧妙运用石墨烯的晶格引导氮化物的晶格排列,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薄膜,并制备发光器件。相关研究成果于2021年7月30日在线发表于《科学·进展》(Science Advances)。

以氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)为代表的第三代半导体是国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要中确定的重点发展方向,是我国半导体领域在新一轮科技革命和产业变革中抢占未来竞争制高点的重要机遇。Ⅲ族氮化物薄膜一般通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底上外延制备。然而,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,严重影响器件的性能及可靠性,成为目前宽禁带半导体制备的瓶颈;另一方面,晶体衬底本身尺寸有限、价格昂贵、不具备柔性等,限制了相关器件的生产成本及应用场景。因此,如何摆脱对传统单晶衬底的依赖是氮化物材料制备的一大难题。

最近,北京大学、中国科学院半导体研究所(下称“中科院半导体所”)、北京石墨烯研究院联合研究团队巧妙运用石墨烯的晶格引导氮化物的晶格排列,在非晶玻璃衬底上成功异构外延出高质量的准单晶GaN薄膜,制备了发光器件,并成功地将其转移至其他衬底上,展现出其在柔性电子学、大功率器件、新型显示等领域广泛应用的可能性。

玻璃衬底具备大尺寸、价格低廉等自身优势,但由于表面缺乏有序的原子排列,无法约束外延材料的晶向,所以玻璃上生长的材料往往呈取向随机的多晶,无法拼接成单晶薄膜。为此,研究人员基于范德华外延机制的考虑,在生长氮化物之前首先在玻璃上铺一层石墨烯,借助石墨烯晶格的引导作用,辅以纳米柱为缓冲层的策略,有效地在玻璃上实现了对氮化镓取向的控制,以及玻璃上氮化物面外取向完全一致、面内取向也由传统的完全随机性被限制成仅为三种,从而得到晶界种类只有三种且密度很低的准单晶薄膜。在此基础上,他们制备出高质量的平面量子阱蓝光发光二极管(LED),其内量子效率高达48.7%,为目前已知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作用力,简单地使用胶带即可将器件从玻璃衬底上剥离下来,制备出柔性LED。

相关研究成果于2021年7月30日以“准单晶氮化物薄膜在石墨烯玻璃上的范德华外延制备”(Van der Waals epitaxy of nearly single-crystalline nitride films on amorphous graphene-glass wafer)为题发表于《科学·进展》(Science Advances);中科院半导体所博士研究生任芳、北京大学前沿交叉学科研究院2018级博士研究生刘秉尧为共同第一作者,中科院半导体所刘志强研究员、北京大学物理学院量子材料科学中心高鹏研究员、北京大学化学与分子工程学院/北京石墨烯研究院刘忠范院士为共同通讯作者。

上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金及北京大学电子显微镜实验室和量子物质科学协同创新中心等支持。这一原创性研究对于扩大半导体外延衬底选择范围、丰富半导体异质外延概念、实现面向后摩尔时代的片上物质组装和异构集成具有重要意义,有助于第三代宽禁带半导体产业打开新局面,同时也为石墨烯等二维材料的产业化应用提供了新思路。

非晶玻璃上石墨烯缓冲层的晶格引导作用

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