氮化镓（GaN）材料作为宽禁带第三代半导体，是国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要中确定的重点发展方向。

目前，氮化物薄膜一般通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法在蓝宝石衬底上外延制备。然而，一方面，蓝宝石与氮化物之间存在较大的晶格失配与热失配，外延薄膜质量较差，严重影响器件的性能及可靠性，成为目前宽禁带半导体制备的瓶颈。另一方面，晶体衬底本身尺寸有限、价格昂贵、不具备柔性等，限制了相关器件的生产成本及应用场景。

因此，如何摆脱对传统单晶衬底的依赖是氮化物材料制备的一大难题。

近期，中国科学院半导体研究所照明研发中心与北京大学、北京石墨烯研究院、北卡大学的科研团队合作，实现了石墨烯玻璃晶圆氮化物“异构外延”突破。研究人员提出一种纳米柱辅助的范德华外延方法，利用金属有机化学气相沉积（MOCVD），首次在玻璃衬底上成功外延出连续平整的准单晶氮化镓（GaN）薄膜，并制备出蓝光发光二极管（LED）。

研究人员在非晶玻璃衬底上插入石墨烯层，为后续氮化物的生长提供外延取向关系。在生长初期通过石墨烯层有效引导氮化物的晶格排列，避免了非晶衬底上氮化物生长通常呈现的、杂乱无序的多晶结构。同时，纳米柱缓冲层的引入，解决了石墨烯表面氮化物晶粒堆积的问题，通过三维-二维的生长模式切换，先纵向生长垂直的纳米柱再诱导其横向合并，成功实现了连续而平整的氮化镓薄膜。

石墨烯玻璃晶圆上氮化物薄膜的生长

A-F.生长过程示意图；G.纳米柱SEM图；H.GaN薄膜SEM图；I.GaN薄膜XRD表征

研究人员在这种准单晶的氮化镓薄膜上进一步生长了蓝光LED，其内量子效率达到48.67%。借助石墨烯/氮化物界面处弱的范德华相互作用，研究人员将生长的外延结构大面积、机械剥离至2inch聚合物衬底，完成了柔性LED样品的制备。

该研究实现了“异构外延”概念，证实了异构衬底实现半导体材料外延的可行性，为扩大半导体材料外延衬底选择范围及后摩尔时代半导体异构集成、功能融合开辟了道路。

相关研究成果以《石墨烯玻璃晶圆准单晶氮化物薄膜的范德华外延》为题，于7月31日在线发表于《科学进展》。

资料来源：《中科院之声》电子杂志第309期

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