半導體產業經過長期發展，已進入“后摩爾時代”，“超越摩爾定律”迎來了高潮，未來半導體產業的發展需跳出原有框架尋求新的路徑。面對這些機遇和挑戰，寬禁帶先進半導體等基礎材料的制備也在孕育突破，新材料、新工藝和異構集成等將成為后摩爾時代的重要技術路線（圖1）。
圖1 異構外延為后摩爾時代多種半導體異構集成、多功能融合開辟了新途徑
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，證實了氮化物外延擺脫襯底限制的可能性，為不同半導體材料之間的異構集成提供了新思路。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（圖2）。
圖2 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
由于沒有襯底晶格的影響，在非晶襯底上外延氮化物為研究范德華外延理論機制提供了一個良好的平臺，研究人員通過第一性原理（DFT）計算及相應的TEM實驗結果，證實了石墨烯晶格可以很好地誘導界面處氮化物的晶格排列，形成一致的c軸面外取向及三種不同的面內取向，且石墨烯/氮化物異質界面為典型的范德華界面（圖3）。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。
圖3 石墨烯玻璃晶圓上氮化物薄膜的面內取向研究。A.石墨烯上氮化物三種不同面內取向配置的原子模型；B.石墨烯上氮化物不同面內取向的形成能；C-D.GaN薄膜10°及29°晶界；E.GaN薄膜每個晶粒內部高分辨TEM圖；F-G.GaN薄膜晶界處的摩爾紋
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》（Van der Waals Epitaxy of Nearly Single-Crystalline Nitride Films on Amorphous Graphene-Glass Wafer）為題，于7月31日在線發表于《科學進展》（Science Advances）（DOI: 10.1126/sciadv.abf5011）。研究工作獲得國家自然科學基金委、科學技術部國家重點研發計劃資助項目、半導體所青年人才項目的支持。
此外，該方法同樣適用于高In組分氮化物材料的制備，研究人員通過界面應力調控，采用石墨烯作為晶格透明層（lattice-transparent layer），建立應力釋放的生長前端，部分克服氮化物晶格中銦并入難的問題，在高In組分氮化物材料外延領域取得進展。與傳統制備方法比較，InGaN薄膜的In組分提高30.7%（圖4-5）。該工作提出了一種具有普適性意義的提高Ⅲ族氮化物In組分并入的方法，為拓展氮化物在全彩顯示、全光譜健康光源、熱電能源器件等領域的應用開辟了新思路。高In組分氮化物外延相關研究結果以《石墨烯-納米柱增強的準范德華外延來實現高銦組分氮化物薄膜》（Graphene-Nanorod Enhanced Quasi-Van Der Waals Epitaxy for High Indium Composition Nitride Films）為題，于3月31日在線發表在Small（DOI: 10.1002/smll.202100098）上。研究工作獲得國家自然科學基金委、科學技術部國家重點研發計劃、半導體所青年人才項目的支持。
圖4 石墨烯-納米柱輔助的GaN薄膜材料及界面表征。a.AFM及截面SEM；b.面外EBSD；c.面內EBSD；d.界面的SAED；e.界面的HRTEM；f.界面的EDS；g.界面的HAADF STEM；h.生長前后石墨烯Raman對比
圖5 石墨烯納米柱輔助的InGaN薄膜，In并入理論機制及應力調控結果。a.In原子并入過程原子結構模型圖；b.不同應力狀態下In并入的DFT計算；c.GaN薄膜應力對比；d.InGaN薄膜的PL對比；e.應力調控及In組分提升結果
