近日，南京大學(xué)莊喆、劉斌、張榮團(tuán)隊(duì)聯(lián)合沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）、合肥工業(yè)大學(xué)等單位，成功開(kāi)發(fā)出一種在非晶襯底（如二氧化硅SiO?、石英）上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量單晶III族氮化物半導(dǎo)體薄膜外延生長(zhǎng)新技術(shù)。該研究成果突破了半導(dǎo)體材料外延對(duì)單晶襯底的依賴，為未來(lái)材料和器件的異質(zhì)異構(gòu)集成開(kāi)辟了創(chuàng)新技術(shù)路徑。相關(guān)研究成果近期以“Two-dimensional buffer breaks substrate limit in Ⅲ-nitrides epitaxy”為題發(fā)表于《Science Advances》期刊。

研究背景

半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展為現(xiàn)代科技奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，而半導(dǎo)體材料外延技術(shù)始終是先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步的核心環(huán)節(jié)之一。為了獲得高質(zhì)量的半導(dǎo)體薄膜，必須選擇與生長(zhǎng)薄膜具有特定外延關(guān)系的單晶襯底材料。傳統(tǒng)的同質(zhì)外延技術(shù)通過(guò)在相同的材料襯底上外延半導(dǎo)體薄膜，推動(dòng)了硅產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展；而異質(zhì)外延技術(shù)的發(fā)展則使得不同單晶材料能夠作為半導(dǎo)體薄膜的襯底，為化合物半導(dǎo)體（如砷化鎵GaAs和氮化鎵GaN）在光電子與高功率/高頻器件中的應(yīng)用提供了重要支持。然而，這些外延技術(shù)通常依賴單晶襯底。因此，如何突破對(duì)單晶襯底的依賴，在非晶或多晶襯底上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量半導(dǎo)體薄膜的生長(zhǎng)，依然是一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)。

為了克服這一技術(shù)瓶頸，科學(xué)家們提出了范德華外延（vdW epitaxy）新方法，利用二維材料作為中間層來(lái)打破襯底的限制，通過(guò)二維材料緩沖層重新定義外延關(guān)系，理論上可以實(shí)現(xiàn)任意襯底上單晶薄膜的外延生長(zhǎng)。此前，已有研究采用石墨烯、六方氮化硼（h-BN）以及過(guò)渡金屬硫化物等二維材料作為緩沖層實(shí)現(xiàn)III-V族化合物半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)。但由于范德華鍵較弱，無(wú)法在所有成核晶粒中實(shí)現(xiàn)一致的晶向?qū)R，導(dǎo)致晶界數(shù)量多、缺陷密度高。

重要成果

針對(duì)這一問(wèn)題，南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)同阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)共同提出了創(chuàng)新性的“化學(xué)鍵轉(zhuǎn)換”策略，將范德華鍵結(jié)合的二硫化鉬（MoS2）材料轉(zhuǎn)化為共價(jià)鍵結(jié)合的氮化鉬（MoN）材料，轉(zhuǎn)換后的MoN晶格取向完全繼承了單晶MoS2的薄膜特性。利用這一新型MoN作為緩沖層，在非晶SiO2襯底上成功實(shí)現(xiàn)了取向高度一致的單晶GaN薄膜外延生長(zhǎng)（圖1）。這一策略既利用了二維材料的可轉(zhuǎn)移性，又通過(guò)強(qiáng)化學(xué)鍵轉(zhuǎn)換構(gòu)筑了氮化物半導(dǎo)體薄膜外延晶格匹配關(guān)系，從而使氮化物薄膜外延不再受限于單晶襯底，在非晶襯底上同樣可以實(shí)現(xiàn)材料的晶圓級(jí)規(guī)?；苽?。

圖1：通過(guò)“化學(xué)鍵轉(zhuǎn)換”策略實(shí)現(xiàn)取向高度一致的Ⅲ族氮化物外延生長(zhǎng)

由于非晶襯底上難以直接生長(zhǎng)單晶MoN，研究團(tuán)隊(duì)首先采取“轉(zhuǎn)移-氮化”策略，將藍(lán)寶石襯底上預(yù)生長(zhǎng)的多層MoS2轉(zhuǎn)移至2英寸SiO2非晶襯底上，再通過(guò)氮化處理，使范德華鍵結(jié)合的MoS2轉(zhuǎn)化為共價(jià)鍵結(jié)合的MoN，這一“化學(xué)鍵轉(zhuǎn)換”過(guò)程在MoN表面形成均勻懸掛鍵，為后續(xù)AlN成核層提供均勻成核位點(diǎn)。

圖2：AlN與MoN間的晶格關(guān)系和界面特性

圖2的XRD結(jié)果顯示，藍(lán)寶石襯底上的原始MoS2、氮化處理后的MoN，以及后續(xù)磁控濺射生長(zhǎng)的AlN均為六方晶格結(jié)構(gòu)，三者具有一致的面外面內(nèi)晶向；AlN/MoN界面TEM圖像展現(xiàn)了AlN有序的原子排列和清晰的原子界面，并通過(guò)對(duì)AlN和MoN原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速傅里葉變換，進(jìn)一步證實(shí)了AlN和MoN晶格間的外延關(guān)系。通過(guò)晶格常數(shù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，MoN與AlN的晶格失配僅約8%，顯著小于AlN與藍(lán)寶石或Si襯底的失配度，這一特性證明了MoN緩沖層在多種材料襯底上外延生長(zhǎng)Ⅲ族氮化物薄膜的應(yīng)用潛力。

基于上述SiO2非晶襯底上構(gòu)建的AlN/MoN模板，團(tuán)隊(duì)利用MOCVD設(shè)備，成功實(shí)現(xiàn)了2英寸高質(zhì)量氮化鎵薄膜的外延生長(zhǎng)。該GaN薄膜表面粗糙度僅為0.168nm，面外（002）面和面內(nèi)（102）面搖擺曲線半峰寬分別低至0.19°和0.32°，其中非晶襯底上GaN薄膜（102）面的半峰寬指標(biāo)目前國(guó)際上鮮有報(bào)道，團(tuán)隊(duì)基于MoN緩沖層策略生長(zhǎng)的GaN薄膜質(zhì)量達(dá)到非晶/多晶襯底生長(zhǎng)的當(dāng)前領(lǐng)先水平。此外，團(tuán)隊(duì)在石英襯底上重復(fù)該策略，同樣實(shí)現(xiàn)了單晶GaN薄膜外延，驗(yàn)證了該技術(shù)路線的普適性。

圖3：AlN/GaN模板上外延生長(zhǎng)的2英寸高質(zhì)量GaN薄膜

在高質(zhì)量GaN薄膜基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步外延了AlGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。測(cè)試結(jié)果顯示，異質(zhì)界面處二維電子氣（2DEG）的室溫遷移率高達(dá)2240 cm²V-¹s-¹，展現(xiàn)出卓越的電學(xué)性能?；谠摻Y(jié)構(gòu)制造的高電子遷移率晶體管（HEMT），性能接近傳統(tǒng)單晶襯底上的外延器件表現(xiàn)，是國(guó)際上在非晶襯底上直接外延實(shí)現(xiàn)氮化鎵基HEMT晶體管的首次報(bào)道（圖2）。這一技術(shù)突破為III族氮化物半導(dǎo)體的異質(zhì)異構(gòu)集成提供了直接外延的新方法，更開(kāi)創(chuàng)了高性能III族氮化物半導(dǎo)體光電器件擺脫襯底約束、在功能非晶基底上直接集成的全新技術(shù)路徑。

圖4：非晶SiO2襯底上外延的AlGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)及制備的HEMT器件性能

論文信息

該研究工作由南京大學(xué)聯(lián)合沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)共同完成。南京大學(xué)集成電路學(xué)院博士后桑藝萌、副研究員伍瑩和沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)研究科學(xué)家徐向明為論文的共同第一作者，南京大學(xué)集成電路學(xué)院莊喆副教授、電子科學(xué)與工程學(xué)院劉斌教授、張榮教授、合肥工業(yè)大學(xué)邢琨副教授、阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Husam N. Alshareef教授為該論文的共同通訊作者。論文還得到了南京大學(xué)集成電路學(xué)院王欣然教授、丁孫安教授、電子科學(xué)與工程學(xué)院陳敦軍教授、王學(xué)鋒教授、陶濤副教授等的專業(yè)指導(dǎo)和技術(shù)細(xì)節(jié)討論。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等基金項(xiàng)目的資助。