近日，南京大學莊喆、劉斌、張榮團隊聯(lián)合沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）、合肥工業(yè)大學等單位，成功開發(fā)出一種在非晶襯底（如二氧化硅SiO?、石英）上實現(xiàn)高質量單晶III族氮化物半導體薄膜外延生長新技術。該研究成果突破了半導體材料外延對單晶襯底的依賴，為未來材料和器件的異質異構集成開辟了創(chuàng)新技術路徑。相關研究成果近期以“Two-dimensional buffer breaks substrate limit in Ⅲ-nitrides epitaxy”為題發(fā)表于《Science Advances》期刊。

研究背景

半導體技術的飛速發(fā)展為現(xiàn)代科技奠定了堅實基礎，而半導體材料外延技術始終是先進半導體技術進步的核心環(huán)節(jié)之一。為了獲得高質量的半導體薄膜，必須選擇與生長薄膜具有特定外延關系的單晶襯底材料。傳統(tǒng)的同質外延技術通過在相同的材料襯底上外延半導體薄膜，推動了硅產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展；而異質外延技術的發(fā)展則使得不同單晶材料能夠作為半導體薄膜的襯底，為化合物半導體（如砷化鎵GaAs和氮化鎵GaN）在光電子與高功率/高頻器件中的應用提供了重要支持。然而，這些外延技術通常依賴單晶襯底。因此，如何突破對單晶襯底的依賴，在非晶或多晶襯底上實現(xiàn)高質量半導體薄膜的生長，依然是一個長期存在的挑戰(zhàn)。

為了克服這一技術瓶頸，科學家們提出了范德華外延（vdW epitaxy）新方法，利用二維材料作為中間層來打破襯底的限制，通過二維材料緩沖層重新定義外延關系，理論上可以實現(xiàn)任意襯底上單晶薄膜的外延生長。此前，已有研究采用石墨烯、六方氮化硼（h-BN）以及過渡金屬硫化物等二維材料作為緩沖層實現(xiàn)III-V族化合物半導體外延生長。但由于范德華鍵較弱，無法在所有成核晶粒中實現(xiàn)一致的晶向對齊，導致晶界數(shù)量多、缺陷密度高。

重要成果

針對這一問題，南京大學研究團隊同阿卜杜拉國王科技大學共同提出了創(chuàng)新性的“化學鍵轉換”策略，將范德華鍵結合的二硫化鉬（MoS2）材料轉化為共價鍵結合的氮化鉬（MoN）材料，轉換后的MoN晶格取向完全繼承了單晶MoS2的薄膜特性。利用這一新型MoN作為緩沖層，在非晶SiO2襯底上成功實現(xiàn)了取向高度一致的晶圓級單晶GaN薄膜外延生長，該GaN薄膜晶體質量與傳統(tǒng)單晶襯底上生長的薄膜質量相當（圖1）。這一策略既利用了二維材料的可轉移性，又通過強化學鍵轉換構筑了晶向匹配、易于成核的外延表面，從而使氮化物薄膜外延不再受限于單晶襯底，在非晶襯底上同樣可以實現(xiàn)材料的晶圓級規(guī)?；苽洹?/p>

圖1 基于MoN緩沖層的非晶SiO2襯底上

高質量單晶GaN薄膜

通過這一創(chuàng)新技術，團隊進一步在非晶SiO2襯底上外延了AlGaN/AlN/GaN異質結構，在異質界面處二維電子氣（2DEG）的室溫遷移率高達2240 cm2V-1s-1，展現(xiàn)出卓越的電學性能?；谠摻Y構制造的高電子遷移率晶體管（HEMT）性能接近傳統(tǒng)單晶襯底上的外延器件表現(xiàn)，是國際上在非晶襯底上直接外延實現(xiàn)氮化鎵基HEMT晶體管的首次報道（圖2）。這一技術進展為III族氮化物半導體異質異構集成提供了直接外延的新方法，是高性能III族氮化物半導體光電器件擺脫襯底約束、在功能非晶基底上直接集成的全新技術方案。

圖2 非晶SiO2襯底上外延的AlGaN/AlN/GaN異質結及制備的HEMT器件性能

論文信息

該研究工作由南京大學聯(lián)合沙特阿卜杜拉國王科技大學、合肥工業(yè)大學共同完成。南京大學集成電路學院博士后桑藝萌、副研究員伍瑩和沙特阿卜杜拉國王科技大學研究科學家徐向明為論文的共同第一作者，南京大學集成電路學院莊喆副教授、電子科學與工程學院劉斌教授、張榮教授、合肥工業(yè)大學邢琨副教授、阿卜杜拉國王科技大學Husam N. Alshareef教授為該論文的共同通訊作者。論文還得到了南京大學集成電路學院王欣然教授、丁孫安教授、電子科學與工程學院陳敦軍教授、王學鋒教授、陶濤副教授等的專業(yè)指導和技術細節(jié)討論。研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等基金項目的資助。