記者從北京石墨烯研究院獲悉，近期中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)/北京石墨烯研究院院長(cháng)劉忠范、中科院半導體所研究員劉志強、北京大學(xué)物理學(xué)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(xué)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(fā)光二極管（LED）。相關(guān)成果7月31日發(fā)表于《科學(xué)》子刊《科學(xué)·進(jìn)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(shí)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(jìn)半導體迎來(lái)發(fā)展的高峰期。一直以來(lái)，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(zhuān)利技術(shù)不足。同時(shí)，由于缺乏同質(zhì)襯底，氮化物材料一直通過(guò)金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）在藍寶石、硅、碳化硅等單晶襯底上進(jìn)行異質(zhì)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，擺脫傳統襯底限制是氮化物材料制備的瓶頸問(wèn)題，也是通過(guò)自主創(chuàng )新引領(lǐng)先進(jìn)半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的的關(guān)鍵。

研究人員巧妙地利用石墨烯解決了該問(wèn)題。他們在生長(cháng)初期，利用石墨烯的晶格來(lái)引導氮化物的晶格排列，在非晶玻璃上也實(shí)現了高質(zhì)量氮化物的外延。通常，玻璃上生長(cháng)的氮化物上是完全雜亂無(wú)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(zhì)量的準單晶薄膜。他們進(jìn)一步生長(cháng)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(cháng)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(chǎn)業(yè)應用，北京石墨烯研究院在玻璃襯底上采用化學(xué)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(shù)的探索提供堅實(shí)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(shù)，解決先進(jìn)半導體發(fā)展技術(shù)瓶頸，在新型顯示、柔性電子學(xué)等領(lǐng)域具有重要應用前景。同時(shí)，該技術(shù)通過(guò)“異構外延”減弱了氮化物對單晶襯底的依賴(lài)，對于擴大半導體外延襯底選擇范圍、豐富半導體異質(zhì)外延概念、實(shí)現面向后摩爾時(shí)代的片上物質(zhì)組裝和異構集成，具有重要意義。