劉忠范、高鵬、李晉閩、魏宇杰合作J. Am. Chem. Soc.工作：石墨烯/藍寶石基底上無應力AlN的快速生長

鋼鐵俠 5年前 (2018-10-20) 4479瀏覽

【引言】

第三代半導體材料（AlN、GaN等）在發光二極管、激光二極管、紫外輻射源、高頻功率電子學等領域具有廣闊的應用前景。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，藍寶石、硅、碳化硅等常被用作生長基底。但是，在材料外延過程中，基底與第三代半導體之間存在較大的晶格失配和熱失配，這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，在拼接界面處常常會出現大量的缺陷結構。上述兩個過程所產生的缺陷結構會嚴重降低材料的質量，進而會影響器件的發光效率。

石墨烯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，石墨烯緩沖層在第三代半導體材料中的應用有望緩解器件的散熱、熱失配及晶格失配等問題，與此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。

【成果簡介】

近日，J. Am. Chem. Soc. 在線刊登了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發表的題為“Fast Growth of Strain-Free AlN on Graphene-Buffered Sapphire”的工作。該工作研究了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。研究表明：石墨烯緩沖層的引入可以顯著降低AlN的成核密度，減小由于疇區拼接造成的缺陷結構密度。與此同時，石墨烯的插入還可以有效地釋放AlN與藍寶石之間由于晶格失配和熱失配造成的應力。

【圖文導讀】

圖一.石墨烯對于藍寶石基底上AlN生長的影響

（a-d）石墨烯插入層對AlN成核的影響；

（e）石墨烯/藍寶石及裸露藍寶石區域AlN成核密度統計；

（f）裸露藍寶石及石墨烯/藍寶石上AlN成膜的SEM表征;

圖二.石墨烯緩沖層對于藍寶石上AlN應力釋放的影響

（a）石墨烯/藍寶石基底上生長的AlN的AFM表征；

（b）AlN/石墨烯/藍寶石截面樣的選區電子衍射;

（c-f）AlN/石墨烯/藍寶石及AlN/藍寶石平面樣的選區電子衍射及其對應的示意圖；

圖三. AlN/藍寶石及AlN/石墨烯/藍寶石體系中應力的拉曼表征

（a，b）AlN，AlN/藍寶石及AlN/石墨烯/藍寶石中AlN的E2 (high)峰 及A1 (LO)峰的拉曼位移；

（c）AlN，AlN/藍寶石及AlN/石墨烯/藍寶石中藍寶石特征拉曼峰的位移；

（d）AlN/石墨烯/藍寶石中石墨烯的G峰及2D峰的拉曼位移；

（e，f）AlN/石墨烯/藍寶石及AlN/藍寶石中AlN的E2 (high)峰大范圍拉曼Mapping；

圖四. 關于AlN/藍寶石及AlN/石墨烯/藍寶石體系中AlN-Al2O3結合能及AlN中應力的理論計算

（a-f）AlN/藍寶石及AlN/石墨烯/藍寶石的理論計算模型；

（g）AlN/藍寶石及AlN/石墨烯/藍寶石體系中AlN-Al2O3之間的結合能；

（h，i）AlN/藍寶石及AlN/石墨烯/藍寶石體系中AlN的應力；

【小結】

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，揭示了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，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質量提供了新的途徑。

原文鏈接：Fast Growth of Strain-Free AlN on Graphene-Buffered Sapphire， （J. Am. Chem. Soc., 2018, 140 (38), pp 11935–11941, DOI: 10.1021/jacs.8b03871 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b03871）

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