【成员风采】半导体所在氮化物材料外延研究中取得新进展

近期，半导体研究所照明研发中心刘志强研究员等在氮化物材料外延研究领域取得新进展，揭示了氮化物范德华外延的物理本质，提出了二维材料辅助的氮化物外延生长基本准则；同时，提出了解决本领域关键科学、技术问题的方案和路线。相关工作以“二维材料辅助的氮化物外延生长准则(Principles for 2D Material Assisted Nitrides Epitaxial Growth)”，基于二维缓冲层的氮化物机械转印的技术进展(Recent Advances in Mechanically Transferable III-Nitride Based on 2D Buffer Strategy)”，发表在Advanced Materials与Advanced Functional Materials上。

近年来，二维材料辅助的氮化物外延取得了巨大的进展，并在实现多种功能材料异质集成与物质组装方面显示出极大的潜力。然而，由于缺乏成熟的理论框架，二维材料辅助的氮化物外延中的一些基本问题，如无悬挂键表面的成核机制与晶格调控起源，仍不明确，这阻碍了其进一步发展。针对这一问题，研究团队就多种氮化物/二维材料/衬底处的界面配置展开了研究，预测了不同种类衬底上二维材料辅助氮化物外延生长的行为，并给出了相应的调控机制与生长前沿构筑方案。工作成果以题为Principles for 2D Material Assisted Nitrides Epitaxial Growth，2023年3月10日在线发表于Advanced Materials期刊(DOI:10.1002/adma.202211075)。中科院半导体所刘志强研究员为文章通讯作者，中科院半导体所陈琪博士研究生为文章第一作者。

研究团队首先应用DFT计算预测了氮化物在石墨烯覆盖的单晶衬底上的生长行为。发现除“晶格透明”外，石墨烯还具有传递衬底势场的能力，并通过石墨烯缺乏面内和面外偶极矩的特性与π电子重新分布过程解释了这一现象。由此确认了在石墨烯覆盖的单晶衬底上氮化物生长实质上仍受到衬底晶格的调控，其机制为“远程外延”，而石墨烯则为“远程外延”的理想缓冲层。研究团队在石墨烯覆盖的蓝宝石衬底上进行了氮化物外延生长，其与异质外延相一致的外延关系佐证了上述观点（图1）。

图1.蓝宝石-石墨烯晶圆上的单晶氮化物远程外延层

研究团队就二维材料覆盖的非晶衬底上的氮化物外延生长展开了研究，以探索不同二维材料对氮化物生长的调控作用。DFT计算结果表明，排除衬底晶格影响后，氮化物/二维材料界面由范德华相互作用调控，且选取晶格匹配的二维材料缓冲层对实现单晶氮化物范德华外延生长至关重要。由于石墨烯与氮化物间较大的晶格失配与较弱的相互作用，石墨烯难以为氮化物生长提供唯一稳定的吸附位点与合适的生长势场，最终将导致其上外延生长的氮化物为多晶。而与氮化物几何匹配的WS2则是理想的氮化物范德华外延缓冲层，且考虑到晶格对称性，其经常出现的60°转角晶界并不会影响后续氮化物的外延晶格堆叠。研究团队首先在石墨烯覆盖的非晶玻璃上进行了氮化物生长，结果表明其为多晶，且晶体取向与界面配置均与理论计算结果相吻合（图2）。研究团队在WS2覆盖的非晶玻璃上获得了单晶氮化物外延层，证实了氮化物范德华外延的可行性，并为其提供了普适的生长界面构筑准则（图3）。

图2.石墨烯-石英玻璃晶圆上多种取向并存的氮化物外延层

图3. WS2-石英玻璃晶圆上的单晶氮化物范德华外延层

该生长方法同样适用于近年来新兴的柔性材料和器件领域，在可穿戴及可折叠显示器、太阳能电池、传感器和生物医学设备等方面具有广阔的应用前景，实现III族氮化物大面积剥离转印技术和柔性氮化物制备是该领域的核心技术瓶颈。团队系统介绍并讨论了柔性氮化物制备的代表性进展，以及基于二维材料的不同种类的柔性氮化物器件应用（图4）。总结了二维材料作为外延释放层来制备柔性氮化物器件所面临的挑战，并提出了解决本领域关键科学、技术问题的方案和路线。成果以题为“基于二维缓冲层的氮化物机械转印的技术进展(Recent Advances in Mechanically Transferable III-Nitride Based on 2D Buffer Strategy)”，于2023年1月15日在线发表于Advanced Functional Materials期刊(DOI: 10.1002/adfm.202209880)，并被选为Frontispiece。中科院半导体所刘志强研究员、中科院半导体所伊晓燕研究员、中科院半导体所李晋闽研究员为本文共同通讯作者，中科院半导体所宋武睿博士研究生为本文第一作者。

基于对氮化物生长界面方面较深入的研究，研究团队在高质量氮化物外延生长方面取得进展，蓝宝石衬底氮化镓外延材料位错密度降低至1.1×108cm-2,优于文献报道的实验结果（图5）。

图4.二维材料辅助剥离氮化物

图5.文献报道氮化物位错密度结果对比

上述工作受到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划资助项目、中科院半导体所青年人才项目的经费支持。

原文链接：

[1] Chen, Q., Yang, K., Shi, B., Yi, X., Wang, J., Li, J., Liu, Z., Principles for 2D-Material-Assisted Nitrides Epitaxial Growth. Adv. Mater. 2023, 2211075. https://doi.org/10.1002/adma.202211075

[2] Song, W., Chen, Q., Yang, K., Liang, M., Yi, X., Wang, J., Li, J., Liu, Z., Recent Advances in Mechanically Transferable III-Nitride Based on 2D Buffer Strategy. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2209880. https://doi.org/10.1002/adfm.202209880