近日，西安電子科技大學集成電路學部郝躍教授團隊張進成教授、寧靜教授聯(lián)合武漢大學何軍教授團隊在寬禁帶半導體材料領(lǐng)域取得突破性進展，開發(fā)了一種范德華極化工程異質(zhì)集成方法（PEVIS），相關(guān)成果以《Van der Waals integration of 4-inch single-crystalline III-nitride semiconductors》為題，發(fā)表于材料科學頂級期刊《Advanced Materials》（中國科學院I區(qū)TOP期刊，IF=26.8），集成電路學部張進成教授為論文通訊作者，寧靜教授為共同第一作者，博士研究生武海迪為學生第一作者。

面向新一代高性能氮化物寬禁帶半導體器件與異構(gòu)集成電路發(fā)展的需要，通過二維材料異質(zhì)外延III氮化物半導體，借助范德華界面能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變弛豫、位錯密度降低和無損異質(zhì)集成，傳統(tǒng)方法在二維材料上外延III族氮化物時，二維材料的有限潤濕性和弱界面相互作用使得在晶圓尺度上實現(xiàn)III族氮化物半導體的有序晶體取向構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。本研究創(chuàng)新性地提出了一種范德華極化工程異質(zhì)集成方法（polarization-engineered vdW integration strategy），通過精準調(diào)控外延襯底的電子極化特性，通過二維材料的缺陷和通孔將促進準范德華外延生長形成可以與外延產(chǎn)物結(jié)合的不飽和懸掛鍵，清晰的闡述了在二維材料上范德華外延III族氮化物半導體的關(guān)鍵核心機理，實現(xiàn)了III族氮化物半導體和襯底之間的電荷轉(zhuǎn)移。

在二維材料上實現(xiàn)了4英寸可剝離的單晶GaN層異質(zhì)外延，并且當外延層厚度減小到400 nm時，位錯密度低至3.49×108 cm-2，基于該技術(shù)制備的GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）展示出2080.7 cm2 V-1 s-1的超高遷移率，高電子遷移率晶體管（HEMT）展示出790 mA/mm的高飽和電流密度和1.11×10?? mA/mm的低截止電流。該突破性成果為氮化物半導體的范德華異質(zhì)集成提供了全新的理論認知，解決了氮化物寬禁帶半導體范德華外延的關(guān)鍵難題，實現(xiàn)了高質(zhì)量超薄氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，為高性能寬禁帶半導體器件的跨材料、跨功能的大面積異構(gòu)集成掃清了關(guān)鍵障礙。

文章信息

Yao Wen, Jing Ning, Haidi Wu, Haoran Zhang, Ruiqing Cheng, Lei Yin, Hao Wang, Xiaolin Zhang, Yong Liu, Dong Wang, Yue Hao, Jincheng Zhang*, Jun He*，Van der Waals integration of 4-inch single-crystalline III-nitride semiconductors, Adv. Mater. 2025, 2501916,https://doi.org/10.1002/adma.202501916