针对新一代高性能氮化物宽禁带半导体器件与异构集成电路发展的需要，基于二维材料插层的氮化物半导体范德华外延技术因其柔性和可转移性，突破了传统外延的物理限制，是实现多种半导体材料的异质异构集成与功能创新的重要途径。然而，石墨烯等二维材料表面惰性导致的氮化物成核难题是制约范德华外延氮化物半导体材料与器件发展的关键瓶颈。近日，一项关于范德华外延高质量超薄氮化物半导体材料的研究成果发表于《Advanced Materials》，该研究由武汉大学何军教授团队与西安电子科技大学郝跃院士团队张进成教授、宁静教授合作完成，武汉大学文耀副研究员与西安电子科技大学宁静教授与为论文共同第一作者，何军教授、张进成教授为论文共同通讯作者。
氮化物范德华外延是指通过二维材料插层异质外延III氮化物半导体薄膜，借助范德华界面能够实现氮化镓等外延材料的应变弛豫、位错密度降低和无损异质集成。然而，在二维材料上外延III族氮化物时，二维材料的有限润湿性和弱界面相互作用使得在晶圆尺度上实现III族氮化物半导体的有序晶体取向和高质量薄膜制备非常困难。本研究创新性地提出了一种范德华极化工程异质集成方法（Polarization-engineered vdW integration strategy），利用III族氮化物中Al面的极性与二维材料之间的偶极矩关系，在外延衬底中设计稳健的电子极化增强界面的静电势、电荷相互作用和结合能，二维材料的缺陷和通孔将促进准范德华外延生长，形成可以与外延产物结合的不饱和悬挂键，实现了III族氮化物半导体和衬底之间的电荷转移，从而在二维材料上制备出4英寸高质量超薄GaN异质外延材料，并且当外延层厚度减小到400 nm时，仍可维持低位错密度（3.49×108 cm-2）。基于该技术制备的GaN异质结构二维电子气室温迁移率达2080.7 cm2 V-1 s-1，高电子迁移率晶体管（HEMT）展示出790 mA/mm的高饱和电流密度和1.11×10⁻⁶ mA/mm的低截止电流。该成果为高质量氮化物半导体的范德华外延和异质集成提供了新机理，解决了氮化物宽禁带半导体范德华外延的关键难题，实现了高质量超薄氮化物异质结构材料，为高性能宽禁带半导体器件的跨材料、跨功能的大面积异构集成扫清了关键障碍。
图1 基于石墨烯插层的范德华外延氮化镓外延材料
图2 范德华外延与传统异质外延氮化物外延材料与HEMT器件比较
文章信息：Yao Wen, Jing Ning, Haidi Wu, Haoran Zhang, Ruiqing Cheng, Lei Yin, Hao Wang, Xiaolin Zhang, Yong Liu, Dong Wang, Yue Hao, Jincheng Zhang*, Jun He*，Van der Waals integration of 4-inch single-crystalline III-nitride semiconductors, Adv. Mater. 2025, 2501916, https://doi.org/10.1002/adma.202501916
