北京大學物理學院凝聚態物理與材料物理研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心王新強課題組、李新征課題組和化學與分子工程學院彭海琳課題組合作，針對二維材料上III族氮化物半導體界面耦合機制及單晶材料外延難題，實驗與理論相結合，證明準范德華外延是在石墨烯上制備大尺寸、高質量、易剝離氮化物半導體單晶材料及光電子器件的首選外延方法。研究成果以“III族氮化物半導體在濕法轉移石墨烯上的外延范式”（Determination of the preferred epitaxy for III-nitride semiconductors on wet-transferred graphene）為題于2023年8月2日發表于《科學進展》（Science Advances），并被選為當期特色文章(Featured Article)。
圖1.《科學進展》刊發北京大學聯合團隊在氮化物半導體外延技術領域新進展
以石墨烯（graphene）為代表的二維材料與以氮化鎵（GaN）為代表的III族氮化物半導體面內晶格對稱性匹配、生長兼容性良好，其交叉研究被視作克服氮化物半導體異質外延體系界面大失配、難分離問題，研制高質量易剝離單晶材料和多功能光電子器件的可行途徑之一。深刻理解氮化物半導體與二維材料的界面耦合機制與外延架構，掌握二維材料上氮化物半導體單晶材料制備技術，是半導體外延和器件研究領域的前沿熱點之一。根據氮化物半導體與二維材料界面耦合形式的不同，二維材料上氮化物半導體外延方案一般包括范德華外延（van der Waals epitaxy）、遠程外延（remote epitaxy）和準范德華外延（quasi-van der Waals epitaxy）三種形式。然而，其外延范式仍是一個懸而未決的問題。
針對這一關鍵科學問題，北京大學聯合研究團隊從強極性氮化鋁（AlN）材料入手，開展了氮化物半導體遠程外延和準范德華外延研究。在前期工作基礎上[Adv. Mater. 2022, 34(5): 2106814；Adv. Funct. Mater. 2020, 30(22): 2001283；Adv. Sci. 2020, 7(21): 2000917]，為抑制化學氣相沉積和濕法轉移過程中的結構破損，避免氮化物半導體外延生長過程中的原子輻照損傷和熱分解損傷，研究團隊選擇在濕法轉移的超平整單晶graphene和強極性AlN模板上采用MOCVD技術開展AlN遠程外延研究。理論與實驗結果表明，單層graphene和強極性AlN的結合可為氮化物半導體遠程外延提供極強的遠程相互作用（作用強度同比來自石墨烯的純范德華力強約1個量級），但其僅能約束AlN晶粒具有和底層AlN模板相同的晶格極性，不能約束AlN晶粒的面內取向，導致遠程外延AlN自發地具有由扭曲晶粒組成的多晶結構。調整氮化物半導體的種類（AlN或GaN）或二維材料的類型（graphene或h-BN）和厚度（1-3 MLs），遠程外延得到的外延層始終具有多晶結構。需要注意的是，當graphene厚度較薄時（如1 ML），AlN外延層中將存在遠程外延和通孔外延（thru-hole epitaxy）兩種成分，隨著生長的進行，graphene破損處的通孔外延成分不斷擴展并掩埋遠程外延組分，導致外延層呈現單晶結構。此時，外延層的單晶結構來自于通孔外延而非遠程外延。
利用準范德華外延，研究團隊在多晶鉬襯底上制備出晶格極性可控的AlN和GaN單晶薄膜，在單晶AlN模板上制備出轉角可控的twisted AlN單晶薄膜。整體而言，準范德華外延對轉移graphene的完整度與結晶度、底層襯底的晶體結構與晶格對稱性、氮化物半導體的生長方法和動力學調控過程等具有很好的兼容性，是在二維材料上制備高質量易剝離氮化物半導體單晶材料及功能器件的最優技術路線。上述研究工作解決了長期以來關于graphene等二維材料上氮化物半導體單晶材料外延范式的爭論，有望推動低成本、大尺寸氮化物半導體異質結構及其光電、電子器件在二維材料上的產業化制造。
圖2.單晶graphene上氮化物半導體外延生長模型：A，氮化物半導體遠程外延模型。B,氮化物半導體準范德華外延模型。C，通過遠程外延在1-ML graphene/AlN(0001)模板上制備AlN薄膜的HAADF-STEM圖。由于面內取向的顯著差異，遠程外延AlN晶粒無法聚并形成單晶薄膜。D，通過準范德華外延在3-ML graphene/AlN(0001)模板上制備AlN薄膜的HAADF-STEM圖。取向規則的AlN晶粒聚并形成單晶薄膜。
北京大學特聘副研究員劉放、高級工程師王濤、博士生高欣、博士生楊懷遠為論文共同第一作者，王新強教授、彭海琳教授、李新征教授為論文共同通訊作者。合作者包括北京大學沈波教授和劉開輝教授、北京科技大學張智宏副教授、松山湖材料實驗室袁冶副研究員及北京大學分析測試中心曹曉帆等。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、博士后創新人才支持計劃、北京高校卓越青年科學家計劃等的支持。
論文原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf8484
來源：北京大學物理學院
