??近日，北京大學(xué)物理學(xué)院寬禁帶半導(dǎo)體研究中心沈波和楊學(xué)林課題組與俞大鵬、劉開輝課題組合作，成功實(shí)現(xiàn)了Si(100)襯底上單晶GaN薄膜的外延生長(zhǎng)，相關(guān)工作于2019年7月23日在Advanced Functional Materials上在線刊登 [doi.org/10.1002/adfm.201905056]。

GaN基寬禁帶半導(dǎo)體具有帶隙大、擊穿電場(chǎng)高、飽和電子漂移速度大等優(yōu)異，能夠滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高頻、高功率等性能的要求，對(duì)國(guó)家的高技術(shù)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)具有重要意義。由于缺乏天然的GaN單晶襯底，GaN基半導(dǎo)體材料和器件主要在異質(zhì)襯底上外延生長(zhǎng)。因具有大尺寸、低成本及易于集成等優(yōu)點(diǎn)，Si襯底上外延GaN成為近年來(lái)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界高度關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

目前用于GaN外延生長(zhǎng)的Si襯底主要是Si(111)襯底，其表面原子結(jié)構(gòu)為三重排列，可為六方結(jié)構(gòu)的GaN外延提供六重對(duì)稱表面。然而，Si(100)襯底是Si集成電路技術(shù)的主流襯底，獲得Si(100)襯底上GaN外延薄膜對(duì)于實(shí)現(xiàn)GaN器件和Si器件的集成至關(guān)重要。但Si(100)表面原子為四重對(duì)稱，外延生長(zhǎng)時(shí)無(wú)法有效匹配；同時(shí)Si(100)表面存在二聚重構(gòu)體，導(dǎo)致GaN面內(nèi)同時(shí)存在兩種不同取向的晶疇。迄今國(guó)際上還未能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)Si(100)襯底上單晶GaN薄膜的外延生長(zhǎng)。

圖 Si(100)襯底上單晶GaN薄膜的外延生長(zhǎng)

沈波和楊學(xué)林課題組創(chuàng)造性地使用單晶石墨烯作為緩沖層，在Si(100)襯底上實(shí)現(xiàn)了單晶GaN薄膜的外延生長(zhǎng)，并系統(tǒng)研究了石墨烯上GaN外延的成核機(jī)理和外延機(jī)制。該突破不僅為GaN器件與Si器件的集成奠定了科學(xué)基礎(chǔ)，而且對(duì)當(dāng)前國(guó)際上關(guān)注的非晶襯底上氮化物半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)和GaN基柔性器件研制具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

北京大學(xué)物理學(xué)院博士后馮玉霞為第一作者，沈波教授、劉開輝教授、楊學(xué)林老師為共同通訊作者。該工作的理論計(jì)算得到了李新征教授的指導(dǎo)與幫助。該工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的資助。