氮化鎵（GaN）材料作為寬禁帶第三代半導體，是國家“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要中確定的重點發展方向。

目前，氮化物薄膜一般通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）方法在藍寶石襯底上外延制備。然而，一方面，藍寶石與氮化物之間存在較大的晶格失配與熱失配，外延薄膜質量較差，嚴重影響器件的性能及可靠性，成為目前寬禁帶半導體制備的瓶頸。另一方面，晶體襯底本身尺寸有限、價格昂貴、不具備柔性等，限制了相關器件的生產成本及應用場景。

因此，如何擺脫對傳統單晶襯底的依賴是氮化物材料制備的一大難題。

近期，中國科學院半導體研究所照明研發中心與北京大學、北京石墨烯研究院、北卡大學的科研團隊合作，實現了石墨烯玻璃晶圓氮化物“異構外延”突破。研究人員提出一種納米柱輔助的范德華外延方法，利用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD），首次在玻璃襯底上成功外延出連續平整的準單晶氮化鎵（GaN）薄膜，并制備出藍光發光二極管（LED）。

研究人員在非晶玻璃襯底上插入石墨烯層，為后續氮化物的生長提供外延取向關系。在生長初期通過石墨烯層有效引導氮化物的晶格排列，避免了非晶襯底上氮化物生長通常呈現的、雜亂無序的多晶結構。同時，納米柱緩沖層的引入，解決了石墨烯表面氮化物晶粒堆積的問題，通過三維-二維的生長模式切換，先縱向生長垂直的納米柱再誘導其橫向合并，成功實現了連續而平整的氮化鎵薄膜。

石墨烯玻璃晶圓上氮化物薄膜的生長

A-F.生長過程示意圖；G.納米柱SEM圖；H.GaN薄膜SEM圖；I.GaN薄膜XRD表征

研究人員在這種準單晶的氮化鎵薄膜上進一步生長了藍光LED，其內量子效率達到48.67%。借助石墨烯/氮化物界面處弱的范德華相互作用，研究人員將生長的外延結構大面積、機械剝離至2inch聚合物襯底，完成了柔性LED樣品的制備。

該研究實現了“異構外延”概念，證實了異構襯底實現半導體材料外延的可行性，為擴大半導體材料外延襯底選擇范圍及后摩爾時代半導體異構集成、功能融合開辟了道路。

相關研究成果以《石墨烯玻璃晶圓準單晶氮化物薄膜的范德華外延》為題，于7月31日在線發表于《科學進展》。

資料來源：《中科院之聲》電子雜志第309期

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