石墨烯/藍寶石基底上無應力AlN的快速生長

唐智勇

國家納米科學中心，北京 100190

(a) 石墨烯插入層對AlN成核的影響；(b) 石墨烯/藍寶石及裸露藍寶石區域AlN成核密度統計；(c，d) AlN/石墨烯/藍寶石及AlN/藍寶石平面樣的選區電子衍射；(e) AlN/石墨烯/藍寶石及AlN/藍寶石中AlN的E2 (high)峰的拉曼表征；(f) AlN/石墨烯/藍寶石中石墨烯的G峰及2D峰的拉曼表征；(g，h) AlN/石墨烯/藍寶石及AlN/藍寶石中AlN的E2 (high)峰的大范圍拉曼表征。

以氮化物為代表的第三代半導體材料，在發光二極管1,2、激光二極管3、紫外輻射源4、高頻功率電子學5,6等領域具有廣闊的應用前景。目前，制備第三代半導體材料的常用方法是金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)法，常用的襯底主要包括藍寶石、硅、碳化硅等。但是，在材料異質外延過程中，襯底與半導體薄膜之間較大的晶格失配和熱失配會導致材料中應力的積累以及缺陷密度的升高。除此之外，在材料島狀拼接生長過程中，在拼接界面處會引入大量的缺陷結構7。上述兩類缺陷嚴重地降低了材料的質量，進而會影響器件的效率和可靠性。為了緩和晶格失配和熱失配問題，通常需要在襯底和半導體薄膜之間生長一層緩沖層。合適的緩沖層材料能起到畫龍點睛的作用。工業上常用的緩沖層是低溫生長的多缺陷的氮化物。尋找合適的緩沖層材料和工藝是提升半導體薄膜質量的一個關鍵點。

石墨烯作為一種新型的二維材料具有諸多優異的物理化學性質，例如：超高的熱導率、負膨脹系數及表面無懸掛鍵等等。因此，石墨烯作為緩沖層用于第三代半導體材料中有望緩解器件的散熱、熱失配及晶格失配等問題，同時還可以降低材料的成核密度，減弱材料中的應力積累，進而降低缺陷密度，提高晶體質量。

基于此，北京大學劉忠范教授課題組、高鵬研究員課題組與中國科學院半導體研究所李晉閩研究員課題組、中國科學院力學研究所魏宇杰研究員課題組合作，研究了AlN在石墨烯覆蓋的藍寶石上的生長行為，以及石墨烯對于AlN應力釋放、缺陷密度降低的影響。圖a，b為AlN在石墨烯/藍寶石及裸露藍寶石區域的成核情況。從圖中可以看出：石墨烯的引入會顯著降低AlN的成核密度。同時，在石墨烯/藍寶石表面，大于200 nm的AlN核的密度要高于在裸露的藍寶石表面。這說明石墨烯的引入可以提高AlN的生長速率，主要歸結于無懸掛鍵的石墨烯表面金屬粒子具有較低的遷移勢壘。圖c，d為AlN/石墨烯/藍寶石及AlN/藍寶石平面樣的選區電子衍射，從圖中可以看出：在 AlN/石墨烯/藍寶石區域存在由于二次電子衍射造成的衛星斑點，這說明AlN與藍寶石界面處晶格已經完全弛豫，兩種材料保持各自的晶格常數，進而說明兩種材料中的應力被完全釋放。并且，AlN/石墨烯/藍寶石及 AlN/藍寶石中 AlN 的E2(high)峰拉曼表征(圖 e，g，h)也表明：在石墨烯存在的情況下，AlN的 E2(high)峰更加接近于本征的峰位，進一步證明了石墨烯對于應力釋放的促進作用。AlN/石墨烯/藍寶石中石墨烯的G峰及2D峰的拉曼表征(圖f)說明：在該體系中石墨烯承受很大的壓縮應力，這主要歸結于石墨烯具有負膨脹系數，藍寶石與AlN具有正膨脹系數，在降溫過程中，石墨烯承受來自上下兩種材料的較大的壓縮應力。

該工作清晰地研究了石墨烯在第三代半導體材料生長中的作用：AlN薄膜的快速生長能夠有效降低所需要的生長時間，從而節約成本；界面應力的釋放能夠提高量子阱的發光效率。因此，該研究為石墨烯的應用開辟了新的領域，也為提升第三代半導體材料器件的性能提供了新的途徑。該研究工作近期在Journal of the American Chemical Society雜志上在線發表8。