海立方官网手机版

关于征集研究所历史资料和实物的通知
半导体所组织参加院夏季党组扩大会议精神传达视频会
半导体所完成水下高分辨率光学成像海试
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
半导体所照明党支部获得“中央和国家机关先进基层党组织”荣誉称号
半导体所组织学习习近平总书记在庆祝中国共产党成立100周年大会上的重要讲话精神
半导体所组织收看“庆祝中国共产党成立100周年大会”现场直播
半导体所所长谭平恒在半导体所2021年研究生毕业典礼上的致辞
半导体所举行庆祝中国共产党成立100周年主题活动
半导体所召开党史学习教育第四次专题学习会暨理论学习中心组学习(扩大)会
官方微信
友情链接

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(ye)经(jing)历了数十(shi)年的发展(zhan),已然(ran)进入(ru)“后摩(mo)尔时(shi)代”,“超越摩(mo)尔定律”迎来(lai)了高潮,未来(lai)半导体(ti)产业(ye)的发展(zhan)需要(yao)跳出原有框架寻求新(xin)的路径。面(mian)对这些(xie)机遇和挑战,宽(kuan)禁带(dai)先进半导体(ti)等基础(chu)材料的制(zhi)备也在(zai)孕育突破,新(xin)材料,新(xin)工艺,异构集成等将(jiang)成为后摩(mo)尔时(shi)代的重(zhong)要(yao)技(ji)术路线(图1)。

近期,海立方(fang)官网手机(ji)版研究(jiu)(jiu)所照(zhao)明研发中心与北(bei)京大(da)学(xue)(xue)、北(bei)京石墨烯(xi)研究(jiu)(jiu)院、北(bei)卡(ka)大(da)学(xue)(xue)科研团队合作(zuo),实现了石墨烯(xi)玻璃晶圆氮化(hua)(hua)物“异构外延(yan)”突破,证(zheng)实了氮化(hua)(hua)物外延(yan)摆(bai)脱衬底(di)限制(zhi)的可(ke)能性(xing),为不(bu)同半导体材料之(zhi)间的异构集(ji)成提供了一(yi)个新的思路。研究(jiu)(jiu)团队提出了一(yi)种纳米柱辅助的范(fan)德华外延(yan)方(fang)法,利用金属有机(ji)化(hua)(hua)学(xue)(xue)气相沉积(MOCVD),国(guo)际上首(shou)次(ci)在玻璃衬底(di)上成功外延(yan)出连续平整的准单晶氮化镓(GaN)薄膜,并(bing)制备蓝(lan)光发光二极(ji)管(LED)。

研究人(ren)员在非晶(jing)玻璃(li)衬底上插入石墨烯层(ceng),为后续氮(dan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)生(sheng)长(zhang)提供外延取向(xiang)关系。在生(sheng)长(zhang)初期通过(guo)石墨烯层(ceng)有效引导(dao)氮(dan)化(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)晶(jing)格排列,避免(mian)了非晶(jing)衬底上氮(dan)化(hua)物(wu)(wu)生(sheng)长(zhang)通常呈现的(de)(de)、杂乱无序的(de)(de)多晶(jing)结构。同时(shi),纳(na)米柱缓冲层(ceng)的(de)(de)引入,解(jie)决了石墨烯表面氮(dan)化(hua)物(wu)(wu)晶(jing)粒堆积的(de)(de)问题,通过(guo)三维(wei)-二(er)维的生(sheng)长(zhang)模式(shi)切(qie)换,先(xian)纵(zong)向生(sheng)长(zhang)垂直的纳(na)米柱(zhu)再诱导其横(heng)向合并,成功实现了连续而平整的氮化镓(jia)薄膜(图2)。

由于(yu)没有衬底晶格的影(ying)响(xiang),在(zai)非晶衬底上外延氮(dan)化物为研(yan)究范德(de)华外延理论机制(zhi)提供了一(yi)个(ge)良好(hao)的平台,研(yan)究人员通过(guo)第一(yi)性原理(DFT)计算及相应的TEM实(shi)验结果,证实(shi)了石墨烯(xi)晶格(ge)可以很(hen)好地(di)诱导界(jie)面处氮化物的晶格(ge)排列,形成一(yi)致的c轴面外取(qu)(qu)向及(ji)三种(zhong)不(bu)同的面内取(qu)(qu)向,且石墨烯/氮化物异质界(jie)面为典型的范德(de)华界(jie)面(图(tu)3)。研(yan)究人员在这种准单晶的氮化(hua)镓(jia)薄膜上进一步生长了蓝光LED,其内量(liang)子(zi)效率达(da)到48.67%。借助石墨(mo)烯(xi)/氮化物界面处弱的范德华相互(hu)作(zuo)用(yong),他们(men)成功将生长的外(wai)延结构,大面积、机械剥离至2inch聚合物(wu)衬底,完成柔性LED样品(pin)制备。

此(ci)项工作(zuo)实现(xian)了“异构外(wai)延(yan)”概念(nian),证实了异构衬(chen)底实现(xian)半(ban)导(dao)(dao)体材(cai)(cai)料外(wai)延(yan)的可行性,为扩(kuo)大半(ban)导(dao)(dao)体材(cai)(cai)料外(wai)延(yan)衬(chen)底选(xuan)择范围及后摩尔时代半(ban)导(dao)(dao)体异构集成(cheng)、功能(neng)融合开辟了道路。

该(gai)方法同样适用于高In组(zu)分氮(dan)化(hua)物材料的制备,研究人员通过界面应(ying)力(li)调控,采用(yong)石(shi)墨烯(xi)作(zuo)为晶格透明层(ceng)(lattice-transparent layer),建立应力(li)释(shi)放的生长前(qian)端,部分(fen)克服(fu)氮化物晶(jing)格中铟(yin)并入(ru)难的问题,在高(gao)In组分氮化物材料外延领域取得进展(zhan),与传统制备(bei)方(fang)法比较,InGaN薄膜的In组分提高30.7%(图4-5)。该工作提出了(le)一种具有普(pu)适性意义的提高(gao)III族氮化物In组分(fen)并入(ru)的方法,为拓展氮化物在全(quan)彩显示、全(quan)光谱健康(kang)光源、热(re)电(dian)能源器件等领域(yu)的应用开(kai)辟了新(xin)思路。

上(shang)述工作以 “石墨烯玻璃(li)晶(jing)圆准(zhun)单晶(jing)氮化物薄(bo)膜的范(fan)德华(hua)外延(Van der Waals Epitaxy of Nearly Single-Crystalline Nitride Films on Amorphous Graphene-Glass Wafer)”为题,于 20217月(yue)31日在(zai)线发(fa)表于《科学》子(zi)刊《科学·进展》(Science  Advances)。(DOI: 10.1126/sciadv.abf5011

中科院半导体(ti)所(suo)刘志强研究员、北京大学高鹏研究员、北京大学/北京石墨(mo)烯研究(jiu)院(yuan)刘忠(zhong)范(fan)院(yuan)士为(wei)本(ben)文共(gong)同通讯作者,半导体(ti)所任芳博士研究(jiu)生、北京大学刘秉(bing)尧(yao)博士研究(jiu)生为(wei)共(gong)同一作。工作受(shou)到(dao)了国家自(zi)然科学基金委、科技部(bu)国家重(zhong)点(dian)研发计(ji)划资助项目(mu)(mu)、中科院(yuan)半导体(ti)所青年(nian)人才(cai)项目(mu)(mu)的经(jing)费支持。

In组(zu)分(fen)氮(dan)化(hua)物外延(yan)相关结果,以 “石墨烯-纳米柱增强的准范德华外延来实现高铟组分氮(dan)化物薄膜(Graphene-Nanorod Enhanced Quasi-Van Der Waals Epitaxy for High Indium Composition Nitride Films)”为题,于20213月(yue)31日在Small上在线发表(biao)。(DOI: 10.1002/smll.202100098

中科院半(ban)导(dao)体(ti)所刘志(zhi)强研究员(yuan)(yuan)、伊晓燕研究员(yuan)(yuan),北(bei)京大学高鹏(peng)研究员(yuan)(yuan)、北(bei)京大学/北(bei)京石(shi)墨烯研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)院(yuan)刘(liu)忠范(fan)院(yuan)士为(wei)本文(wen)共(gong)同通讯作(zuo)者,半导(dao)(dao)体(ti)所张硕博士研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)生(sheng)、北(bei)京大学(xue)刘(liu)秉(bing)尧博士研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)生(sheng)为(wei)共(gong)同一作(zuo)。该研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)工作(zuo)受(shou)到了国家自然科学(xue)基金委、科技(ji)部(bu)国家重点(dian)研(yan)发计(ji)划资助项目,中科院(yuan)半导(dao)(dao)体(ti)所青年人才项目的经(jing)费支持。


1. 异构外延为(wei)后摩(mo)尔时代多种半导体异构集成、多功能融合开辟了新途径(jing)。

2. 石墨烯玻(bo)璃晶(jing)圆上(shang)氮化(hua)物薄膜的生长。A-F. 生(sheng)长(zhang)过程(cheng)示(shi)意(yi)图(tu);G. 纳米柱(zhu)SEM图;H. GaN薄膜SEM图(tu);I. GaN薄膜XRD表征。


3. 石墨烯玻璃(li)晶(jing)圆(yuan)上氮化物薄膜(mo)的面内取向(xiang)研究(jiu)。A 石墨烯(xi)上(shang)氮(dan)化物三(san)种不同面内取(qu)向配(pei)置的(de)原子模(mo)型;B. 石(shi)墨烯上(shang)氮化物不(bu)同面内(nei)取向的(de)形(xing)成能;C-D. GaN薄(bo)膜10°及29°晶界;E. GaN薄膜每(mei)个(ge)晶(jing)粒(li)内部高(gao)分辨TEM图;F-G. GaN薄膜晶界(jie)处的摩尔(er)纹。


4. 石墨烯-纳米柱辅助的GaN薄膜材料及界面表(biao)征。a. AFM及截面SEMb. 面外(wai)EBSDc. 面内(nei)EBSDd. 界面的SAEDe. 界面的HRTEMf. 界(jie)面的EDSg. 界(jie)面(mian)的HAADF STEMh. 生(sheng)长前(qian)后石墨烯(xi)Raman对比。


5. 石墨烯纳米(mi)柱辅助的(de)InGaN薄膜,In并入理论机(ji)制(zhi)及应力调控(kong)结(jie)果。a. In原(yuan)子(zi)并入(ru)过程原(yuan)子(zi)结构模型图;b. 不同应力状态下(xia)In并入的DFT计(ji)算;c. GaN薄膜应力(li)对比;d. InGaN薄膜的PL对比;e. 应力调控及In组分(fen)提升结果。

 

 

 



关于我们
下载视频观看
联系方式
通信地址

北(bei)京市海淀区(qu)清华东路甲35号(林大(da)北(bei)路中段) 北(bei)京912信(xin)箱 (100083)

电话

010-82304210/010-82305052(传真(zhen))

E-mail

semi@semi.ac.cn

交通地图
友情链接
版权所有 海立方官网手机版研究所

备案号:, 京公网安备110402500052 海立方官网手机版所声明