劉忠范院士:我國石墨烯玻璃晶圓氮化物材料外延取得“0到1”的原創性突破

2021-08-01 13:30:24 來源: 科技日報 作者: 馬愛平

科技日報記者 馬愛平

記者從北京石墨烯研究院獲悉,近期中國科學院院士、北京大學/北京石墨烯研究院院長劉忠范、中科院半導體所研究員劉志強、北京大學物理學院研究員高鵬等合作,提出了一種納米柱輔助的范德華外延方法,利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD),國際上首次在玻璃襯底上成功“異構外延”出連續平整的準單晶氮化鎵(GaN)薄膜,并制備藍光發光二極管(LED)。相關成果7月30日發表于《科學》子刊《科學·進展》。

半導體產業是科技自立自強的底層保障。在全球信息化、5G時代以及新冠肺炎疫情的影響下,以III族氮化物為代表的先進半導體迎來發展的高峰期。一直以來,我國氮化物核心材料、器件的原始創新能力較為薄弱,核心專利技術不足。同時,由于缺乏同質襯底,氮化物材料一直通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在藍寶石、硅、碳化硅等單晶襯底上進行異質外延。單晶襯底的尺寸、成本、晶格失配、熱失配、導熱導電性等限制了氮化物材料的發展。因此,擺脫傳統襯底限制是氮化物材料制備的瓶頸問題,也是通過自主創新引領先進半導體產業發展的關鍵。

研究人員巧妙地利用石墨烯解決了該問題。他們在生長初期,利用石墨烯的晶格來引導氮化物的晶格排列,在非晶玻璃上也實現了高質量氮化物的外延。通常,玻璃上生長的氮化物上是完全雜亂無序的多晶結構。石墨烯的晶格引導作用使得玻璃上的氮化物的面外取向完全一致,面內取向也由通常的隨機取向被限制成三種,從而得到了高質量的準單晶薄膜。他們進一步生長了藍光LED結構,其內量子效率高達48.7%。此外,他們充分利用界面處弱的范德華作用力,將生長的外延結構機械剝離并制備了柔性的LED樣品。據悉,面向大規模產業應用,北京石墨烯研究院在玻璃襯底上采用化學氣相沉積,發展了一系列石墨烯晶圓制備方法,為氮化物變革性制備技術的探索提供堅實基礎。

劉忠范表示,這一成果是典型的“從0到1”式的原創性突破,為石墨烯等二維材料的產業化應用提供了新思路,有望發展為氮化物變革性制備技術,解決先進半導體發展技術瓶頸,在新型顯示、柔性電子學等領域具有重要應用前景。同時,該技術通過“異構外延”減弱了氮化物對單晶襯底的依賴,對于擴大半導體外延襯底選擇范圍、豐富半導體異質外延概念、實現面向后摩爾時代的片上物質組裝和異構集成,具有重要意義。

(受訪者供圖)

責任編輯: 陳可軒
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