近期，半導體研究所照明研發中心劉志強研究員等在氮化物材料外延研究領域取得新進展，揭示了氮化物范德華外延的物理本質，提出了二維材料輔助的氮化物外延生長基本準則；同時，提出了解決本領域關鍵科學、技術問題的方案和路線。相關工作以“二維材料輔助的氮化物外延生長準則（Principles for 2D Material Assisted Nitrides Epitaxial Growth）”，基于二維緩沖層的氮化物機械轉印的技術進展（Recent Advances in Mechanically Transferable III-Nitride based on 2D Buffer Strategy）”，發表在Advanced Materials與Advanced Functional Materials上。
近年來，二維材料輔助的氮化物外延取得了巨大的進展，并在實現多種功能材料異質集成與物質組裝方面顯示出極大的潛力。然而，由于缺乏成熟的理論框架，二維材料輔助的氮化物外延中的一些基本問題，如無懸掛鍵表面的成核機制與晶格調控起源，仍不明確，這阻礙了其進一步發展。針對這一問題，研究團隊就多種氮化物/二維材料/襯底處的界面配置展開了研究，預測了不同種類襯底上二維材料輔助氮化物外延生長的行為，并給出了相應的調控機制與生長前沿構筑方案。工作成果以題為Principles for 2D Material Assisted Nitrides Epitaxial Growth，2023年3月10日在線發表于Advanced Materials期刊（DOI:10.1002/adma.202211075）。中科院半導體所劉志強研究員為文章通訊作者，中科院半導體所陳琪博士研究生為文章第一作者。
研究團隊首先應用DFT計算預測了氮化物在石墨烯覆蓋的單晶襯底上的生長行為。發現除“晶格透明”外，石墨烯還具有傳遞襯底勢場的能力，并通過石墨烯缺乏面內和面外偶極矩的特性與π電子重新分布過程解釋了這一現象。由此確認了在石墨烯覆蓋的單晶襯底上氮化物生長實質上仍受到襯底晶格的調控，其機制為“遠程外延”，而石墨烯則為“遠程外延”的理想緩沖層。研究團隊在石墨烯覆蓋的藍寶石襯底上進行了氮化物外延生長，其與異質外延相一致的外延關系佐證了上述觀點（圖1）。
圖1. 藍寶石-石墨烯晶圓上的單晶氮化物遠程外延層
研究團隊就二維材料覆蓋的非晶襯底上的氮化物外延生長展開了研究，以探索不同二維材料對氮化物生長的調控作用。DFT計算結果表明，排除襯底晶格影響后，氮化物/二維材料界面由范德華相互作用調控，且選取晶格匹配的二維材料緩沖層對實現單晶氮化物范德華外延生長至關重要。由于石墨烯與氮化物間較大的晶格失配與較弱的相互作用，石墨烯難以為氮化物生長提供唯一穩定的吸附位點與合適的生長勢場，最終將導致其上外延生長的氮化物為多晶。而與氮化物幾何匹配的WS2則是理想的氮化物范德華外延緩沖層，且考慮到晶格對稱性，其經常出現的60°轉角晶界并不會影響后續氮化物的外延晶格堆疊。研究團隊首先在石墨烯覆蓋的非晶玻璃上進行了氮化物生長，結果表明其為多晶，且晶體取向與界面配置均與理論計算結果相吻合（圖2）。研究團隊在WS2覆蓋的非晶玻璃上獲得了單晶氮化物外延層，證實了氮化物范德華外延的可行性，并為其提供了普適的生長界面構筑準則（圖3）。
圖2. 石墨烯-石英玻璃晶圓上多種取向并存的氮化物外延層
圖3 WS2-石英玻璃晶圓上的單晶氮化物范德華外延層
該生長方法同樣適用于近年來新興的柔性材料和器件領域，在可穿戴及可折疊顯示器、太陽能電池、傳感器和生物醫學設備等方面具有廣闊的應用前景， 實現III族氮化物大面積剝離轉印技術和柔性氮化物制備是該領域的核心技術瓶頸。團隊系統介紹并討論了柔性氮化物制備的代表性進展，以及基于二維材料的不同種類的柔性氮化物器件應用（圖4）。總結了二維材料作為外延釋放層來制備柔性氮化物器件所面臨的挑戰，并提出了解決本領域關鍵科學、技術問題的方案和路線。成果以題為“基于二維緩沖層的氮化物機械轉印的技術進展（Recent Advances in Mechanically Transferable III-Nitride based on 2D Buffer Strategy）”，于 2023年1月15日在線發表于Advanced Functional Materials期刊（DOI: 10.1002/adfm.202209880），并被選為Frontispiece。中科院半導體所劉志強研究員、中科院半導體所伊曉燕研究員、中科院半導體所李晉閩研究員為本文共同通訊作者，中科院半導體所宋武睿博士研究生為本文第一作者。
基于對氮化物生長界面方面較深入的研究，研究團隊在高質量氮化物外延生長方面取得進展，藍寶石襯底氮化鎵外延材料位錯密度降低至1.1×108 cm-2, 優于文獻報道的實驗結果（圖5）。
圖4. 二維材料輔助剝離氮化物
圖5. 文獻報道氮化物位錯密度結果對比
上述工作受到了國家自然科學基金委、科技部國家重點研發計劃資助項目、中科院半導體所青年人才項目的經費支持。
原文鏈接：
[1] Chen, Q., Yang, K., Shi, B., Yi, X., Wang, J., Li, J., Liu, Z., Principles for 2D-Material-Assisted Nitrides Epitaxial Growth. Adv. Mater. 2023, 2211075. https://doi.org/10.1002/adma.202211075
[2] Song, W., Chen, Q., Yang, K., Liang, M., Yi, X., Wang, J., Li, J., Liu, Z., Recent Advances in Mechanically Transferable III-Nitride based on 2D Buffer Strategy. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2209880. https://doi.org/10.1002/adfm.202209880
(來源：中國科學院半導體研究所)
