記者從北京石墨烯研究院獲悉，近期中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)/北京石墨烯研究院院長(zhǎng)劉忠范、中科院半導(dǎo)體所研究員劉志強(qiáng)、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(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD），國(guó)際上首次在玻璃襯底上成功“異構(gòu)外延”出連續(xù)平整的準(zhǔn)單晶氮化鎵（GaN）薄膜，并制備藍(lán)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是科技自立自強(qiáng)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(dǎo)體迎來(lái)發(fā)展的高峰期。一直以來(lái)，我國(guó)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(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(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）在藍(lán)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(dǎo)熱導(dǎo)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(wèn)題，也是通過(guò)自主創(chuàng)新引領(lǐng)先進(jìn)半導(dǎo)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?cè)谏L(zhǎng)初期，利用石墨烯的晶格來(lái)引導(dǎo)氮化物的晶格排列，在非晶玻璃上也實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量氮化物的外延。通常，玻璃上生長(zhǎng)的氮化物上是完全雜亂無(wú)序的多晶結(jié)構(gòu)。石墨烯的晶格引導(dǎo)作用使得玻璃上的氮化物的面外取向完全一致，面內(nèi)取向也由通常的隨機(jī)取向被限制成三種，從而得到了高質(zhì)量的準(zhǔn)單晶薄膜。他們進(jìn)一步生長(zhǎng)了藍(lán)光LED結(jié)構(gòu)，其內(nèi)量子效率高達(dá)48.7%。此外，他們充分利用界面處弱的范德華作用力，將生長(zhǎng)的外延結(jié)構(gòu)機(jī)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(yīng)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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(yīng)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(dǎo)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(yīng)用前景。同時(shí)，該技術(shù)通過(guò)“異構(gòu)外延”減弱了氮化物對(duì)單晶襯底的依賴，對(duì)于擴(kuò)大半導(dǎo)體外延襯底選擇范圍、豐富半導(dǎo)體異質(zhì)外延概念、實(shí)現(xiàn)面向后摩爾時(shí)代的片上物質(zhì)組裝和異構(gòu)集成，具有重要意義。