石墨烯/Si（100）衬底上准范德华外延GaN及光电器件集成研究

行业领域：新材料技术,无机非金属材料

成果介绍

本课题研究了介质衬底上高质量多层石墨烯和h-BN的生长工艺，获得石墨烯单晶畴大于300 nm。从原子层次上研究了多层二维材料上准范德华外延氮化物生长技术中的界面物理问题，揭示了石墨烯和h-BN上氮化物材料成核机制、应力弛豫机制和位错衍变规律，突破了多晶衬底上单晶氮化物生长的限制，实现了高质量可转移单晶GaN外延层，通过湿法腐蚀测得位错密度为1.32108 cm-2。在实现高质量单晶GaN外延基础上，借助二维材料弱的层间作用力，实现了GaN和AlN外延层的晶圆级剥离，获得了4英寸GaN柔性薄膜，制备了柔性LED发光器件和探测器。在无处理石墨烯和h-BN上采用高低V/III比周期循环生长AlN，有效释放外延应变，实现了高质量AlN外延层生长，首次实现AlN单晶外延层的晶圆级剥离，（002）XRD半高宽仅为0.12°，（102）半高宽仅为0.24°，这也是当前二维材料上外延AlN晶体质量最好结果。

成果亮点

本课题准范德华外延技术有望突破衬底材料的限制，改变过去氮化物在蓝宝石、硅等单晶衬底上的生长方式，成为一项颠覆性制备技术，不仅有助于基础物理方面的研究，对于推动半导体照明产业变革以及新一代半导体材料发展也具有非常重要的意义。同时，本课题在SiO2/ Si（100）衬底上实现了晶圆级二维材料的可控制备和单晶GaN材料，在优化工艺的基础上，已经实现了光电器件片上集成及柔性光电器件，通过实验和理论计算初步证实了这一技术路线的可行性。Si基氮化物光电集成有望应用于新型光互联、光计算等信息处理与传输系统，是未来实现高速率、大容量、低功耗的数据处理的新赛道，具有重要战略意义。

团队介绍

长安大学（Chang’an University），位于陕西省西安市，简称“长大”，直属国家教育部，是国家首批“211工程”重点建设大学、国家“985工程优势学科创新平台”建设高校、国家“双一流”建设高校。入选国家“111计划”、“双万计划”、教育部“卓越工程师教育培养计划”、国家建设高水平大学公派研究生项目、世界能源大学联盟成员高校，丝绸之路大学联盟，是高水平行业特色大学优质资源共享联盟。