借助石墨烯实现Si(100)衬底上单晶GaN薄膜的外延生长

近日，北京大学物理学院宽禁带半导体研究中心沈波（点击查看介绍）和杨学林（点击查看介绍）课题组与俞大鹏（点击查看介绍）、刘开辉（点击查看介绍）课题组合作，成功实现了Si(100)衬底上单晶GaN薄膜的外延生长，相关工作于近期发表在Advanced Functional Materials上。

GaN具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大、热导率高和抗辐照能力强等特点，能够满足现代电子技术对高温、高频、高功率和抗辐照等性能的要求。GaN基宽禁带半导体材料对国民经济和国防建设具有重要意义，已经成为近年来学术界和工业界重点关注的热点领域。

因自然界缺乏天然的GaN体单晶材料， GaN基材料和器件主要通过在异质衬底上外延生长实现。Si衬底因具有尺寸大、成本低和导热性好及可与GaN基材料和器件集成等优点，近年来作为GaN外延生长的异质衬底而吸引了越来越多的研发热情和资源。目前，GaN基材料一般在Si (111)衬底上外延生长，主要是由于Si (111)晶面原子为三重排列，可以为六方氮化物生长提供六重排列的表面。

然而，Si集成电路产业所用的是Si(100)衬底，实现Si(100)衬底上单晶GaN薄膜的外延生长是实现GaN器件和Si器件集成至关重要的一步。但是，该研究存在两方面的巨大挑战：（a）Si(100)表面原子为四重对称，与GaN的六方结构不同，外延生长时无法有效匹配；（b）Si(100)表面存在二聚重构体，使氮化物面内同时存在两种不同取向的晶畴。迄今国际上还没有实现标准Si(100)衬底上单晶GaN薄膜的外延生长。

沈波和杨学林课题组创造性地使用单晶石墨烯作为缓冲层，在Si(100)衬底上实现了单晶GaN薄膜的外延生长，并系统研究了石墨烯上GaN的晶体结构和取向特性、成核机理与生长模式和GaN形成单一取向的物理机制。该研究取得的突破不仅为GaN器件与Si器件的集成奠定了良好基础，而且对非晶衬底上氮化物半导体的外延生长或研制GaN基柔性器件具有指导意义。

北京大学物理学院博士后冯玉霞为第一作者，沈波教授、刘开辉教授、杨学林老师为共同通讯作者。该工作也得到了李新征教授在理论计算方面的指导与帮助。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室的项目资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Epitaxy of Single-Crystalline GaN Film on CMOS-Compatible Si(100) Substrate Buffered by Graphene

Yuxia Feng, Xuelin Yang, Zhihong Zhang, Duan Kang, Jie Zhang, Kaihui Liu, Xinzheng Li, Jianfei Shen, Fang Liu, Tao Wang, Panfeng Ji, Fujun Xu, Ning Tang, Tongjun Yu, Xinqiang Wang, Dapeng Yu, Weikun Ge, Bo Shen

Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201905056

导师介绍

沈波

https://www.x-mol.com/university/faculty/61764

杨学林

https://www.x-mol.com/university/faculty/61815

俞大鹏

https://www.x-mol.com/university/faculty/47830

刘开辉

https://www.x-mol.com/university/faculty/46696