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借助石墨烯实现Si(100)衬底上单晶GaN薄膜的外延生长
发布日期:2019-10-10 浏览次数:

借助石墨烯实现Si(100)衬底上单晶GaN薄膜的外延生长

近日,威廉希尔williamhill官网宽禁带半导体研究中心沈波和杨学林课题组与俞大鹏、刘开辉课题组合作,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2019年7月23日在Advanced Functional Materials上在线刊登 [doi.org/10.1002/adfm.201905056]。

GaN基宽禁带半导体具有带隙大、击穿电场高、饱和电子漂移速度大等优异,能够满足现代电子技术对高温、高频、高功率等性能的要求,对国家的高技术发展和国防建设具有重要意义。由于缺乏天然的GaN单晶衬底,GaN基半导体材料和器件主要在异质衬底上外延生长。因具有大尺寸、低成本及易于集成等优点,Si衬底上外延GaN成为近年来学术界和产业界高度关注的热点领域。

目前用于GaN外延生长的Si衬底主要是Si(111)衬底,其表面原子结构为三重排列,可为六方结构的GaN外延提供六重对称表面。然而,Si(100)衬底是Si集成电路技术的主流衬底,获得Si(100)衬底上GaN外延薄膜对于实现GaN器件和Si器件的集成至关重要。但Si(100)表面原子为四重对称,外延生长时无法有效匹配;同时Si(100)表面存在二聚重构体,导致GaN面内同时存在两种不同取向的晶畴。迄今国际上还未能实现标准Si(100)衬底上单晶GaN薄膜的外延生长。

图 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外延的成核机理和外延机制。该突破不仅为GaN器件与Si器件的集成奠定了科学基础,而且对当前国际上关注的非晶衬底上氮化物半导体外延生长和GaN基柔性器件研制具有重要的指导价值。

威廉希尔williamhill官网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。该工作的理论计算得到了李新征教授的指导与帮助。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、威廉希尔williamhill官网人工微结构和介观物理国家重点实验室项目的资助。