Nature Nanotechnology：高质量单晶材料异质结生长新策略

【导读】

单晶材料的异质结为先进的器件平台和功能系统提供了巨大的机会。迄今为止，单晶材料的异质整合已经通过使用异质外延的方法或通过从外来衬底转移半导体膜实现。然而，这些方法依然存在着缺陷。一方面，晶格极性和晶格常数的不匹配一直限制着生长材料的质量；另一方面，作为替代方法的衬底转移方法受到可转移材料的有限可用性和转移过程相关障碍的影响。

【成果掠影】

近日，麻省理工学院Jeehwan Kim、伦斯勒理工学院石云峰、俄亥俄州立大学Jinwoo Hwang、圣路易斯华盛顿大学Sang-Hoon Bae等人发表了研究性论文，引入石墨烯纳米图案作为先进的异质整合平台，允许制备广泛类型的单晶膜材料（从非极性材料到极性材料，从窄带隙到宽带隙半导体材料），其缺陷大大减少。

相关研究文章以“Graphene nanopattern as a universal epitaxy platform for single-crystal membrane production and defect reduction”为题发表在Nature Nanotechnology上。

【核心创新点】

本文提出了一种新的单晶异质结制备方法，有可能通过扩大材料的选择范围为设计异质集成系统提供灵活性，从而彻底改变不同材料的异质集成。

【数据概览】

图一、用于单晶膜生长和释放的石墨烯纳米图案

a，纳米图案化石墨烯上的外延和层释放的示意图。b，生长在GaAs和Ge衬底上的GaAs和Ge的平面SEM图像(左)和EBSD图(右),显示了平面化的单晶薄膜。比例尺，2 μm。c，在600 MPa的Ni应力水平和Ge衬底上70%的石墨烯覆盖率下，作为应力源厚度和外延层厚度的函数的三种剥离模式。虚线表示没有石墨烯的自然剥落深度。d、在600 MPa的应力源应力和1 μm的外延层厚度下石墨烯覆盖对剥离模式的影响。e、剥离的GaAs膜(左)和剩余的两英寸Ge晶片(右)的照片。f，g，剥离后衬底的平面图SEM图像(f)和AFM图像(g)。h，GaAs衬底在剥落状态下的平面SEM图像。I，分层区域中样品表面的平面SEM图像，显示了Ni/外延层界面(左)和胶带/Ni界面(右)处的分层© 2022 Spring Nature

图二、石墨烯纳米图案消除反相界面

a，b，直接生长在Ge (a)和纳米图案化石墨烯涂覆的Ge (b)上的GaAs的横截面STEM图像。c，d，生长在裸Ge (c)和纳米图案化石墨烯涂层Ge (d)上的AlGaAs红色LEDs的平面SEM图像。e，通过从衬底剥离LED结构并转移到聚酰亚胺/硅衬底上而制造的LED的横截面SEM图像。f、在有和没有纳米图案化石墨烯的情况下，在Ge上制造的LEDs的I-V曲线。g，在各种注入电流下，没有(左)和有(右)纳米图案化石墨烯的Ge上的LEDs的EL光谱的比较。h，I，不同尺寸和几何形状的红色发光二极管在涂有纳米图案的石墨烯的Ge (h)和裸Ge (i)上的EL显微照片。注入电流为3、3、5和7 mA(从左至右)。比例尺，10 μm© 2022 Spring Nature

图三、石墨烯纳米图案减少晶格不匹配异质外延的缺陷

a–c、无石墨烯异质外延的MD模拟(a),薄且柔性的石墨烯掩膜(b)和厚且刚性的掩膜(c)。d，无掩模直接生长在InP上的InAs的低倍STEM图像。e，高分辨率STEM图像(左)和相应的GPA图，显示平面内(中间)和平面外(右)应变。f，生长在石墨烯图案上的InAs的低倍STEM图像。g，石墨烯边缘的高分辨率STEM图像和相应的GPA图，显示了石墨烯轻微变形的弛豫InAs膜。h，I，生长在SiO₂图案上的InAs的相同数据组，显示了界面和掩模边缘处的严重应变© 2022 Spring Nature

图四、石墨烯覆盖的影响

a、生长在具有不同石墨烯覆盖率的纳米图案化石墨烯涂覆的GaAs上的InAs的ECCI图像。比例尺，200 nm。b，表面位错密度与通过ECCI测量的石墨烯覆盖度的函数关系。c，用覆盖表面的0%、20%和40%的不同掩模宽度在Si(100)上异质外延Ge的MD模拟，显示通过增加石墨烯覆盖减少了缺陷© 2022 Spring Nature

【成果启示】

本工作展示了石墨烯纳米图案作为单晶薄膜外延的通用平台，为生产各种高质量单晶膜提供了一条新途径，克服了极性和晶格匹配限制，突破了异质集成多功能系统的关键障碍。

原文详情：Kim, H., Lee, S., Shin, J. et al. Graphene nanopattern as a universal epitaxy platform for single-crystal membrane production and defect reduction. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01200-6