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半导体所在面向后摩尔时代的半导体材料“异构外延”领域取得新进展

2021-07-31

 

半导体(ti)产业经(jing)历了数十年的(de)(de)发(fa)展,已然进入“后摩(mo)尔(er)时代”,“超越摩(mo)尔(er)定(ding)律”迎来(lai)了高(gao)潮,未(wei)来(lai)半导体(ti)产业的(de)(de)发(fa)展需(xu)要(yao)跳(tiao)出(chu)原(yuan)有框架(jia)寻求新的(de)(de)路径。面(mian)对这些机遇和(he)挑战,宽禁带先(xian)进半导体(ti)等基础材料(liao)的(de)(de)制(zhi)备也(ye)在(zai)孕(yun)育(yu)突破(po),新材料(liao),新工艺,异构集成等将成为后摩(mo)尔(er)时代的(de)(de)重要(yao)技术路线(图1)。

近期,海立方(fang)(fang)官网手机版研(yan)究(jiu)所(suo)照明研(yan)发中(zhong)心与北(bei)京大(da)学、北(bei)京石墨烯(xi)研(yan)究(jiu)院、北(bei)卡大(da)学科研(yan)团队(dui)合作,实现(xian)了石墨烯(xi)玻璃晶圆氮(dan)化(hua)(hua)物“异构(gou)外延(yan)”突破,证实了氮(dan)化(hua)(hua)物外延(yan)摆脱衬底限制的(de)可(ke)能性,为不同半导(dao)体(ti)材料之(zhi)间的(de)异构(gou)集成(cheng)提(ti)供了一个(ge)新(xin)的(de)思路。研(yan)究(jiu)团队(dui)提(ti)出(chu)了一种(zhong)纳米(mi)柱(zhu)辅助(zhu)的(de)范德(de)华(hua)外延(yan)方(fang)(fang)法,利用金属有(you)机化(hua)(hua)学气相(xiang)沉积(MOCVD),国际(ji)上首次在玻璃衬底上成功(gong)外延出(chu)连续平整(zheng)的准单晶氮(dan)化镓(jia)(GaN)薄(bo)膜,并制备蓝光(guang)发光(guang)二极管(LED)。

研究人员在(zai)非(fei)晶(jing)(jing)玻璃衬底(di)上插入石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯层(ceng),为后续氮(dan)化(hua)物的(de)(de)(de)生长提供(gong)外(wai)延取(qu)向关(guan)系。在(zai)生长初期通(tong)(tong)过石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯层(ceng)有效引导氮(dan)化(hua)物的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)格排列(lie),避免(mian)了(le)非(fei)晶(jing)(jing)衬底(di)上氮(dan)化(hua)物生长通(tong)(tong)常呈现(xian)的(de)(de)(de)、杂乱无序的(de)(de)(de)多晶(jing)(jing)结构。同(tong)时,纳米(mi)柱缓冲层(ceng)的(de)(de)(de)引入,解(jie)决(jue)了(le)石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯表面氮(dan)化(hua)物晶(jing)(jing)粒堆积的(de)(de)(de)问题(ti),通(tong)(tong)过三维-二维的生长(zhang)(zhang)模式切换,先纵向生长(zhang)(zhang)垂直的纳(na)米柱再诱(you)导其横向合并,成功实现了连续(xu)而平(ping)整的氮化镓薄膜(图2)。

由于没有衬底晶格的影(ying)响,在(zai)非晶衬底上(shang)外延氮(dan)化物为研究(jiu)范德华外延理论机制(zhi)提供了一个良好的平台,研究(jiu)人(ren)员通过第一性原理(DFT)计算及(ji)相应的TEM实(shi)验结果,证实(shi)了石墨(mo)烯晶(jing)格(ge)可以很好地诱导界面处氮化物(wu)的晶(jing)格(ge)排列,形成一致的c轴面外取向及(ji)三种不同的面内取向,且石墨烯/氮化物(wu)异质(zhi)界面(mian)为典型的(de)范德华(hua)界面(mian)(图3)。研究人员在这种(zhong)准单晶的(de)氮化镓(jia)薄(bo)膜上进一步生长了蓝光LED,其内(nei)量子效率达到(dao)48.67%。借助石墨烯/氮化物界面处弱的范德(de)华相(xiang)互(hu)作用,他们成功(gong)将生长的外延结构,大面积(ji)、机械剥离(li)至2inch聚合物衬底,完成柔(rou)性LED样品制备。

此项(xiang)工作(zuo)实现(xian)了“异(yi)(yi)构(gou)外延(yan)”概念,证(zheng)实了异(yi)(yi)构(gou)衬底实现(xian)半(ban)导(dao)体(ti)材料外延(yan)的可行性(xing),为扩大半(ban)导(dao)体(ti)材料外延(yan)衬底选择范围及(ji)后摩尔时代半(ban)导(dao)体(ti)异(yi)(yi)构(gou)集成、功能(neng)融合开辟了道路(lu)。

该方法同样适用于高In组(zu)分氮化物材料的制备,研究人(ren)员通(tong)过界面应(ying)力调控(kong),采用石(shi)墨烯作为晶格透明层(ceng)(lattice-transparent layer),建立(li)应力释放的生长(zhang)前(qian)端,部分克(ke)服氮化物晶格(ge)中铟(yin)并(bing)入难(nan)的问(wen)题(ti),在高In组分氮化(hua)物材料外(wai)延领域取得(de)进展,与传统制(zhi)备方法比较,InGaN薄膜的In组分(fen)提高(gao)30.7%(图4-5)。该工作提出了一种(zhong)具有普适性意义的(de)提高III族氮化物In组分并入(ru)的方法,为拓展氮(dan)化物在全(quan)彩显示(shi)、全(quan)光(guang)谱健康光(guang)源、热电(dian)能源器件等领域的应用开辟(pi)了新思路。

上述工作以(yi) “石(shi)墨烯玻璃晶圆准单晶氮化(hua)物薄膜的范德(de)华外延(yan)(Van der Waals Epitaxy of Nearly Single-Crystalline Nitride Films on Amorphous Graphene-Glass Wafer)”为题(ti),于(yu) 2021731日在线发表(biao)于《科(ke)学》子刊《科(ke)学·进展》(Science  Advances)。(DOI: 10.1126/sciadv.abf5011

中科(ke)院半导体所(suo)刘(liu)志强研究(jiu)员、北(bei)京大学(xue)高鹏(peng)研究(jiu)员、北(bei)京大学(xue)/北京石(shi)墨烯研(yan)究(jiu)院刘忠范院士(shi)(shi)为(wei)本文共同通讯作者,半(ban)导体(ti)所任芳博士(shi)(shi)研(yan)究(jiu)生、北京大学刘秉尧博士(shi)(shi)研(yan)究(jiu)生为(wei)共同一作。工作受到了国家自然(ran)科(ke)学基金委(wei)、科(ke)技部(bu)国家重(zhong)点(dian)研(yan)发计划资助项目、中科(ke)院半(ban)导体(ti)所青年人才项目的经费(fei)支持。

In组分氮化物外(wai)延相关结(jie)果,以 “石墨烯-纳米柱增强的(de)准范德华(hua)外延(yan)来实(shi)现高(gao)铟组分氮化物薄膜(Graphene-Nanorod Enhanced Quasi-Van Der Waals Epitaxy for High Indium Composition Nitride Films)”为题,于2021331日在Small上在线(xian)发表。(DOI: 10.1002/smll.202100098

中科院半(ban)导体(ti)所刘(liu)志强研(yan)究员、伊晓(xiao)燕研(yan)究员,北(bei)京大(da)学高鹏研(yan)究员、北(bei)京大(da)学/北京石(shi)墨烯研(yan)究院(yuan)(yuan)刘忠范院(yuan)(yuan)士(shi)为本(ben)文共同通(tong)讯作者,半导体(ti)所(suo)张硕博(bo)士(shi)研(yan)究生、北京大学刘秉(bing)尧博(bo)士(shi)研(yan)究生为共同一作。该研(yan)究工作受(shou)到(dao)了国家自然(ran)科(ke)学基金委、科(ke)技部国家重(zhong)点研(yan)发计划资(zi)助项目(mu),中科(ke)院(yuan)(yuan)半导体(ti)所(suo)青年人才(cai)项目(mu)的经费支(zhi)持。


1. 异构(gou)外延为后摩尔(er)时代多种半导体异构(gou)集成、多功能融合开(kai)辟了新途(tu)径。

2. 石墨烯(xi)玻璃晶(jing)圆上氮化物薄膜的生长。A-F. 生长过程示意图;G. 纳(na)米(mi)柱SEM图;H. GaN薄膜SEM图;I. GaN薄膜XRD表征(zheng)。


3. 石墨(mo)烯玻璃晶圆上(shang)氮化物薄膜的面内取向(xiang)研究。A 石墨烯上(shang)氮化物三种不同面(mian)内取向(xiang)配置的原子模型;B. 石墨烯上氮(dan)化物不同面内取向的(de)形成能;C-D. GaN薄膜10°及29°晶界;E. GaN薄(bo)膜每(mei)个(ge)晶粒(li)内(nei)部高(gao)分辨TEM图(tu);F-G. GaN薄膜晶(jing)界处(chu)的(de)摩(mo)尔纹(wen)。


4. 石(shi)墨烯-纳(na)米柱辅助的GaN薄膜材料及(ji)界面(mian)表(biao)征。a. AFM及截(jie)面SEMb. 面外EBSDc. 面(mian)内EBSDd. 界面的SAEDe. 界(jie)面的HRTEMf. 界面的(de)EDSg. 界面的(de)HAADF STEMh. 生长前后石墨烯(xi)Raman对比。


5. 石墨烯纳米(mi)柱辅助的InGaN薄膜(mo),In并入理论机(ji)制及应力调(diao)控(kong)结(jie)果。a. In原子并(bing)入(ru)过程原子结构模型图;b. 不同应力(li)状态下In并入(ru)的DFT计算;c. GaN薄膜应力对(dui)比(bi);d. InGaN薄膜(mo)的PL对比;e. 应力调控及In组分提升结果。

 

 

 



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