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(xù)平整的準單晶氮化鎵(GaN)薄膜，并制備藍光發(fā)光二極管(LED)。相關成果7月30日發(fā)表于《科學》子刊《科學·進展》。
半導體產(chǎn)業(yè)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(fā)展的高峰期。一直以來，我國氮化物核心材料、器件的原始創(chuàng)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(fā)展。因此，擺脫傳統(tǒng)襯底限制是氮化物材料制備的瓶頸問題，也是通過自主創(chuàng)新引領先進半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)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(xiàn)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(jù)悉，面向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)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(fā)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(chuàng)性突破，為石墨烯等二維材料的產(chǎn)業(yè)化應用提供了新思路，有望發(fā)展為氮化物變革性制備技術，解決先進半導體發(fā)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(xiàn)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。
