二维材料异质外延GaN及其应用探索

1.前言

GaN基新型光电器件以及HEMT功率器件，在制备过程中常会遇到剥离以及热管理等问题，而二维材料石墨烯、金刚石、氮化硼等异质外延可以极大的缓解热失配问题以及并且轻松实现GaN材料的转移。 传统的GaN异质外延主要在蓝宝石衬底、Si衬底或者SiC衬底，在剥离的过程中，如蓝宝石就特别困难，会产生较大的材料损耗和额外成本，且剥离技术也有待进一步提高。而采用二维材料石墨烯异质外延GaN，可实现较好的剥离等。

2.二维材料上生长GaN

如何才能在二维材料基础上生长较好的GaN材料，下面以石墨烯等二维材料为例，介绍几种方法：

（1）蓝宝石/石墨烯/GaN

如图1，GaN 薄膜合并的区域均可以得到台阶流形貌，RMS分别为0.113和 0.142 nm。

图1 GaN/SLG/Al2O3的SEM照片(a)和AFM 照片(b);GaN/Al2O3的 SEM 照片(c) 和AFM照片(d)

石墨烯上生长的 GaN 薄膜 RMS 更低，更加平滑，这可能归因于 GaN 在石墨烯上横向合并能力强。此外，在 GaN/Al2O3体系中观察到少量的位错，推测其为螺位错或者混合位错。

图2虚线框中为界面高分辨TEM照片，可以清晰地看到界面石墨烯。

图2 GaN/SLG/Al2O3体系双束模式的TEM照片

值得注意的是，在生长的初始阶段成核层中出现了许多基面层错(SFs) ，如图2(b) 所示，并且大量的位错被阻挡在基面层错出现的地方。这些短程 SFs 在 GaN 生长过程中充当掩模，并阻挡位错的垂直延伸。因此，上方GaN薄膜位错相对较少。

图3的XRD测试数据，蓝宝石/石墨烯/GaN的002和102分别为418.6和601.6，通过计算，GaN 的螺位错密度分别为 6.63 ×108cm -2，刃位错密度分别为 1.37 × 109cm-2，这表明石墨烯起到了弛豫晶格失配并降低位错密度的作用。

图3(a) GaN/SLG/Al2O3和 GaN/Al2O3在(002)位错密度的XRD图谱;(b) GaN/SLG/Al2O3和 GaN/Al2O3在(102)位错密度的XRD图谱

（2）蓝宝石/石墨烯/AlN缓冲层/GaN

直接在石墨烯上生长GaN会因为石墨烯表面缺少悬挂架会导致成核密度不足造成GaN难以成膜，同时生长GaN所需要的NH3对N源会刻蚀石墨烯，破坏石墨烯的完整性。

在这种情况下，通过生长AlN缓冲层，这里的AlN材料采用溅射的工艺，以此来提高GaN的成核密度，且保护了石墨烯不受NH3的刻蚀。

图4所示，其GaN膜的厚度为4.36um，AFM形貌较具有十分清晰的原子台阶，表面较为平滑。

图4 （a）GaN SEM图；（b）GaN AFM图；

（3）蓝宝石/氮化硼/GaN

h-BN 属于 III 族氮化物材料体系，同样也是具有六方晶体结构对称性的二维材料。相比于石墨烯，它与同为 III 族氮化物的 GaN 外延生长兼容性更好，且具有更好的抗氧化能力，能够降低外延 GaN 薄膜中氧杂质的引入。

同时，h-BN 材料具有良好的高温稳定性及突出的机械柔韧性，适合作为二维晶体过渡层用于 GaN 材料外延生长。

通过对蓝宝石/h-BN复合衬底的处理优化以及h-BN厚度优化等，获得了基于以上衬底的GaN材料。图5为XRD数据，图6为AFM数据。

图5 蓝宝石/氮化硼/GaN的002和102摇摆曲线

图6 蓝宝石/氮化硼/GaN的不同样品的AFM图

3.产业应用 在二维材料上生长GaN材料，可以降低因晶格失配和热失配造成的外延膜与衬底之间的位错和应力。近年来，随着二维材料制备技术的突破，可以将二维晶体材料引入到外延生长中作为衬底与薄膜之间的过渡层，这给 GaN 材料的异质外延提供了一个新途径。

二维材料的厚度可以是单原子层或几个原子层，二维材料包括了零带隙的石墨烯材料、宽带隙的六方氮化硼（h-BN）材料、硫化物材料（MoS2、WS2 等）以及氧化物材料（MoO3、WO3 等）。

在产业应用领域，将会促进氮化物材料及器件剥离转移工艺的进一步发展，将有利于可转移 GaN 基新型器件结构的实现。另外，在器件散热领域也有着应用优势。END 审核编辑：黄飞