Nano Lett. | 石墨烯远程异质外延的原子尺度机理 — 高鹏教授、刘忠范院士、刘志强研究员、杨身园副研究员

英文原题：Atomic Mechanism of Strain Alleviation and Dislocation Reduction in Highly Mismatched Remote Heteroepitaxy Using a Graphene Interlayer

通讯作者：杨身园，中科院半导体所；刘忠范，北京大学、北京石墨烯研究院；刘志强，中科院半导体所；高鹏，北京大学

作者：Bingyao Liu (刘秉尧), Qi Chen (陈琪), Zhaolong Chen (陈召龙), Shenyuan Yang (杨身园), Jingyuan Shan (单婧媛), Zhetong Liu (刘哲彤), Yue Yin (尹越), Fang Ren (任芳), Shuo Zhang (张硕), Rong Wang (王荣), Mei Wu (武媚), Rui Hou (侯锐), Tongbo Wei (魏同波), Junxi Wang (王军喜), Jingyu Sun (孙靖宇), Jinmin Li (李晋闽), Zhongfan Liu (刘忠范), Zhiqiang Liu (刘志强), Peng Gao (高鹏)

背景介绍

在半导体产业中，异质外延作为一种生长高品质单晶薄膜的有效技术手段被广泛使用。其中，以GaN为代表的第三代半导体由于其大禁带宽度、高电子迁移率和高击穿场强等优异特性，已经在LED、HEMT等器件中得到了广泛应用。但是，由于异质外延中的晶格失配等问题， GaN薄膜质量较差，限制了器件的性能突破。近年来，基于石墨烯的远程外延技术被提出用于提升异质外延质量，但是，由于缺乏微观表征，人们对该过程的物理机制尚不明晰。特别是在诸如GaN/蓝宝石这种大失配外延体系中，石墨烯是否能继续发挥作用或如何发挥作用，尚未有研究涉及。

图1. 基于石墨烯的低应力远程异质外延

文章亮点

近日，北京大学高鹏教授，与北京大学-北京石墨烯研究院刘忠范院士、中科院半导体所刘志强研究员、杨身园副研究员团队合作，在Nano Letters上发表了在原子尺度上研究石墨烯在远程异质外延中对外延薄膜应力释放和位错密度降低的物理机制的相关进展。研究团队发现无极性的石墨烯缓冲层可以削弱源于衬底的晶格势场，使得外延层能够在晶体取向得到控制的同时，晶格也能相对自由地生长。因此，异质外延中晶格失配引起的应力得到了释放，外延层位错密度也有效减小。

图2. 石墨烯远程异质外延与传统外延界面对比

利用这种方法得到的外延GaN薄膜中，XRD (102)半高宽降低至比(002)更低的水准，意味着刃位错密度降低至和螺位错密度同样的量级，这样的外延结果此前往往在同质外延中才能实现。在这种低应力的GaN模板上，研究人员成功制备了高In组份的InGaN/GaN 量子阱，实现了黄光LED的制备。

图3. 低应力、低位错密度GaN薄膜及黄光LED

总结/展望

研究团队在原子尺度上揭示了利用远程异质外延方法制备低应力、低位错密度薄膜的物理过程，在此基础上成功制备了高In组份黄光LED。本文为高质量功能材料薄膜的远程异质外延提供了策略参考，为先进电子器件和光电器件的性能提升创造了更好的平台。

相关论文发表在Nano Letters上，北京大学博士研究生刘秉尧、中科院半导体所博士研究生陈琪、北京大学化学院毕业生陈召龙博士为文章的共同第一作者，中科院半导体所杨身园副研究员、 北京大学-北京石墨烯研究院刘忠范院士、中科院半导体所刘志强研究员、北京大学高鹏教授为通讯作者。

通讯作者信息:

杨身园 副研究员

杨身园，中科院半导体所副研究员。主要从事半导体材料、纳米结构和异质结的理论模拟。

刘忠范 院士

刘忠范，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，英国物理学会会士，英国皇家化学会会士，中国微米纳米技术学会会士。主要从事石墨烯等纳米碳材料研究。

刘志强 研究员

刘志强，中国科学院半导体研究所特聘研究员，中国科学院大学岗位教授。主要研究领域为氮化物材料制备、界面分析，新型氮化物电子、光子器件研发。

高鹏 教授

高鹏，北京大学博雅特聘教授。主要研究兴趣为界面物理、电子能量损失谱学、电子显微学。

Nano Lett. 2022, ASAP

Publication Date: April 11, 2022

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00632

Copyright © 2022 American Chemical Society