二維材料異質外延GaN及其應用探索

1.前言

GaN基新型光電器件以及HEMT功率器件，在制備過程中常會遇到剝離以及熱管理等問題，而二維材料石墨烯、金剛石、氮化硼等異質外延可以極大的緩解熱失配問題以及并且輕松實現GaN材料的轉移。 傳統的GaN異質外延主要在藍寶石襯底、Si襯底或者SiC襯底，在剝離的過程中，如藍寶石就特別困難，會產生較大的材料損耗和額外成本，且剝離技術也有待進一步提高。而采用二維材料石墨烯異質外延GaN，可實現較好的剝離等。

2.二維材料上生長GaN

如何才能在二維材料基礎上生長較好的GaN材料，下面以石墨烯等二維材料為例，介紹幾種方法：

（1）藍寶石/石墨烯/GaN

如圖1，GaN 薄膜合并的區域均可以得到臺階流形貌，RMS分別為0.113和 0.142 nm。

圖1 GaN/SLG/Al2O3的SEM照片(a)和AFM 照片(b);GaN/Al2O3的 SEM 照片(c) 和AFM照片(d)

石墨烯上生長的 GaN 薄膜 RMS 更低，更加平滑，這可能歸因于 GaN 在石墨烯上橫向合并能力強。此外，在 GaN/Al2O3體系中觀察到少量的位錯，推測其為螺位錯或者混合位錯。

圖2虛線框中為界面高分辨TEM照片，可以清晰地看到界面石墨烯。

圖2 GaN/SLG/Al2O3體系雙束模式的TEM照片

值得注意的是，在生長的初始階段成核層中出現了許多基面層錯(SFs) ，如圖2(b) 所示，并且大量的位錯被阻擋在基面層錯出現的地方。這些短程 SFs 在 GaN 生長過程中充當掩模，并阻擋位錯的垂直延伸。因此，上方GaN薄膜位錯相對較少。

圖3的XRD測試數據，藍寶石/石墨烯/GaN的002和102分別為418.6和601.6，通過計算，GaN 的螺位錯密度分別為 6.63 ×108cm -2，刃位錯密度分別為 1.37 × 109cm-2，這表明石墨烯起到了弛豫晶格失配并降低位錯密度的作用。

圖3(a) GaN/SLG/Al2O3和 GaN/Al2O3在(002)位錯密度的XRD圖譜;(b) GaN/SLG/Al2O3和 GaN/Al2O3在(102)位錯密度的XRD圖譜

（2）藍寶石/石墨烯/AlN緩沖層/GaN

直接在石墨烯上生長GaN會因為石墨烯表面缺少懸掛架會導致成核密度不足造成GaN難以成膜，同時生長GaN所需要的NH3對N源會刻蝕石墨烯，破壞石墨烯的完整性。

在這種情況下，通過生長AlN緩沖層，這里的AlN材料采用濺射的工藝，以此來提高GaN的成核密度，且保護了石墨烯不受NH3的刻蝕。

圖4所示，其GaN膜的厚度為4.36um，AFM形貌較具有十分清晰的原子臺階，表面較為平滑。

圖4 （a）GaN SEM圖；（b）GaN AFM圖；

（3）藍寶石/氮化硼/GaN

h-BN 屬于 III 族氮化物材料體系，同樣也是具有六方晶體結構對稱性的二維材料。相比于石墨烯，它與同為 III 族氮化物的 GaN 外延生長兼容性更好，且具有更好的抗氧化能力，能夠降低外延 GaN 薄膜中氧雜質的引入。

同時，h-BN 材料具有良好的高溫穩定性及突出的機械柔韌性，適合作為二維晶體過渡層用于 GaN 材料外延生長。

通過對藍寶石/h-BN復合襯底的處理優化以及h-BN厚度優化等，獲得了基于以上襯底的GaN材料。圖5為XRD數據，圖6為AFM數據。

圖5 藍寶石/氮化硼/GaN的002和102搖擺曲線

圖6 藍寶石/氮化硼/GaN的不同樣品的AFM圖

3.產業應用 在二維材料上生長GaN材料，可以降低因晶格失配和熱失配造成的外延膜與襯底之間的位錯和應力。近年來，隨著二維材料制備技術的突破，可以將二維晶體材料引入到外延生長中作為襯底與薄膜之間的過渡層，這給 GaN 材料的異質外延提供了一個新途徑。

二維材料的厚度可以是單原子層或幾個原子層，二維材料包括了零帶隙的石墨烯材料、寬帶隙的六方氮化硼（h-BN）材料、硫化物材料（MoS2、WS2 等）以及氧化物材料（MoO3、WO3 等）。

在產業應用領域，將會促進氮化物材料及器件剝離轉移工藝的進一步發展，將有利于可轉移 GaN 基新型器件結構的實現。另外，在器件散熱領域也有著應用優勢。END 審核編輯：黃飛

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