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九五至尊娱乐棋牌在面向後摩爾時代的半導體材料“異構外延”領域取得新進展

2021-07-31

 

半導體産業經曆了數十年的發展,已然進入“後摩爾時代”,“超越摩爾定律”迎來了高潮,未來半導體産業的發展需要跳出原有框架尋求新的路徑。面對這些機遇和挑戰,寬禁帶先進半導體等基礎材料的制備也在孕育突破,新材料,新工藝,異構集成等將成爲後摩爾時代的重要技術路線(圖1)。

近期,九五至尊娱乐棋牌照明研发中心与北京大学、北京石墨烯研究院、北卡大学科研团队合作,实现了石墨烯玻璃晶圆氮化物“异构外延”突破,证实了氮化物外延摆脱衬底限制的可能性,为不同半导体材料之间的异构集成提供了一个新的思路。研究团队提出了一种納米柱辅助的范德华外延方法,利用金属有机化学气相沉积(MOCVD),國際上首次在玻璃襯底上成功外延出連續平整的准單晶氮化镓(GaN)薄膜,並制備藍光發光二極管(LED)。

研究人員在非晶玻璃襯底上插入石墨烯層,爲後續氮化物的生長提供外延取向關系。在生長初期通過石墨烯層有效引導氮化物的晶格排列,避免了非晶襯底上氮化物生長通常呈現的、雜亂無序的多晶結構。同時,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其橫向合並,成功實現了連續而平整的氮化镓薄膜(圖2)。

由于沒有襯底晶格的影響,在非晶襯底上外延氮化物爲研究範德華外延理論機制提供了一個良好的平台,研究人員通過第一性原理(DFT)計算及相應的TEM實驗結果,證實了石墨烯晶格可以很好地誘導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取向,且石墨烯/氮化物異質界面爲典型的範德華界面(圖3)。研究人員在這種准單晶的氮化镓薄膜上進一步生長了藍光LED,其內量子效率達到48.67%。借助石墨烯/氮化物界面處弱的範德華相互作用,他們成功將生長的外延結構,大面積、機械剝離至2inch聚合物襯底,完成柔性LED樣品制備。

此項工作實現了“異構外延”概念,證實了異構襯底實現半導體材料外延的可行性,爲擴大半導體材料外延襯底選擇範圍及後摩爾時代半導體異構集成、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力調控,采用石墨烯作爲晶格透明層(lattice-transparent layer),建立應力釋放的生長前端,部分克服氮化物晶格中铟並入難的問題,在高In組分氮化物材料外延領域取得進展,與傳統制備方法比較,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組分並入的方法,爲拓展氮化物在全彩顯示、全光譜健康光源、熱電能源器件等領域的應用開辟了新思路。

上述工作以 “石墨烯玻璃晶圓准單晶氮化物薄膜的範德華外延(Van der Waals Epitaxy of Nearly Single-Crystalline Nitride Films on Amorphous Graphene-Glass Wafer)”爲題,于 2021731日在線發表于《科學》子刊《科學·進展》(Science  Advances)。(DOI: 10.1126/sciadv.abf5011

中科院九五至尊娱乐棋牌劉志強研究員、北京大學高鵬研究員、北京大學/北京石墨烯研究院劉忠範院士爲本文共同通訊作者,九五至尊娱乐棋牌任芳博士研究生、北京大學劉秉堯博士研究生爲共同一作。工作受到了國家自然科學基金委、科技部國家重點研發計劃資助項目、中科院九五至尊娱乐棋牌青年人才項目的經費支持。

In組分氮化物外延相關結果,以 “石墨烯-納米柱增強的准範德華外延來實現高铟組分氮化物薄膜(Graphene-Nanorod Enhanced Quasi-Van Der Waals Epitaxy for High Indium Composition Nitride Films)”爲題,于2021331日在Small上在線發表。(DOI: 10.1002/smll.202100098

中科院九五至尊娱乐棋牌劉志強研究員、伊曉燕研究員,北京大學高鵬研究員、北京大學/北京石墨烯研究院劉忠範院士爲本文共同通訊作者,九五至尊娱乐棋牌張碩博士研究生、北京大學劉秉堯博士研究生爲共同一作。該研究工作受到了國家自然科學基金委、科技部國家重點研發計劃資助項目,中科院九五至尊娱乐棋牌青年人才項目的經費支持。


1. 異構外延爲後摩爾時代多種半導體異構集成、多功能融合開辟了新途徑。

2. 石墨烯玻璃晶圓上氮化物薄膜的生長。A-F. 生长过程示意圖;G. 納米柱SEM圖;H. GaN薄膜SEM圖;I. GaN薄膜XRD表征。


3. 石墨烯玻璃晶圓上氮化物薄膜的面內取向研究。A 石墨烯上氮化物三種不同面內取向配置的原子模型;B. 石墨烯上氮化物不同面內取向的形成能;C-D. GaN薄膜10°及29°晶界;E. GaN薄膜每個晶粒內部高分辨TEM圖;F-G. GaN薄膜晶界處的摩爾紋。


4. 石墨烯-納米柱辅助的GaN薄膜材料及界面表征。a. AFM及截面SEMb. 面外EBSDc. 面內EBSDd. 界面的SAEDe. 界面的HRTEMf. 界面的EDSg. 界面的HAADF STEMh. 生長前後石墨烯Raman對比。


5. 石墨烯納米柱辅助的InGaN薄膜,In並入理論機制及應力調控結果。a. In原子并入过程原子结构模型圖;b. 不同應力狀態下In並入的DFT計算;c. GaN薄膜應力對比;d. InGaN薄膜的PL對比;e. 應力調控及In組分提升結果。

 

 

 



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