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(zhì)外延可以極大的緩解熱失配問題以及并且輕松實(shí)現(xiàn)GaN材料的轉(zhuǎn)移。 傳統(tǒng)的GaN異質(zhì)外延主要在藍(lán)寶石襯底、Si襯底或者SiC襯底，在剝離的過程中，如藍(lán)寶石就特別困難，會產(chǎn)生較大的材料損耗和額外成本，且剝離技術(shù)也有待進(jìn)一步提高。而采用二維材料石墨烯異質(zhì)外延GaN，可實(shí)現(xiàn)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(chǔ)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(lán)寶石/石墨烯/GaN

如圖1，GaN 薄膜合并的區(qū)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(qiáng)。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(xiàn)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(xiàn)的地方。這些短程 SFs 在 GaN 生長過程中充當(dāng)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(shù)據(jù)，藍(lán)寶石/石墨烯/GaN的002和102分別為418.6和601.6，通過計(jì)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(lán)寶石/石墨烯/AlN緩沖層/GaN

直接在石墨烯上生長GaN會因?yàn)槭┍砻嫒鄙賾覓旒軙?dǎo)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(hù)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(lán)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(jié)構(gòu)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(zhì)的引入。

同時，h-BN 材料具有良好的高溫穩(wěn)定性及突出的機(jī)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(lán)寶石/h-BN復(fù)合襯底的處理優(yōu)化以及h-BN厚度優(yōu)化等，獲得了基于以上襯底的GaN材料。圖5為XRD數(shù)據(jù)，圖6為AFM數(shù)據(jù)。

圖5 藍(lán)寶石/氮化硼/GaN的002和102搖擺曲線

圖6 藍(lán)寶石/氮化硼/GaN的不同樣品的AFM圖

3.產(chǎn)業(yè)應(yīng)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(yīng)力。近年來，隨著二維材料制備技術(shù)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(zhì)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(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，將會促進(jìn)氮化物材料及器件剝離轉(zhuǎn)移工藝的進(jìn)一步發(fā)展，將有利于可轉(zhuǎn)移 GaN 基新型器件結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。另外，在器件散熱領(lǐng)域也有著應(yīng)用優(yōu)勢。END 審核編輯：黃飛

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