Nature Nanotechnology：高質量單晶材料異質結生長新策略

【導讀】

單晶材料的異質結為先進的器件平臺和功能系統提供了巨大的機會。迄今為止，單晶材料的異質整合已經通過使用異質外延的方法或通過從外來襯底轉移半導體膜實現。然而，這些方法依然存在著缺陷。一方面，晶格極性和晶格常數的不匹配一直限制著生長材料的質量；另一方面，作為替代方法的襯底轉移方法受到可轉移材料的有限可用性和轉移過程相關障礙的影響。

【成果掠影】

近日，麻省理工學院Jeehwan Kim、倫斯勒理工學院石云峰、俄亥俄州立大學Jinwoo Hwang、圣路易斯華盛頓大學Sang-Hoon Bae等人發表了研究性論文，引入石墨烯納米圖案作為先進的異質整合平臺，允許制備廣泛類型的單晶膜材料（從非極性材料到極性材料，從窄帶隙到寬帶隙半導體材料），其缺陷大大減少。

相關研究文章以“Graphene nanopattern as a universal epitaxy platform for single-crystal membrane production and defect reduction”為題發表在Nature Nanotechnology上。

【核心創新點】

本文提出了一種新的單晶異質結制備方法，有可能通過擴大材料的選擇范圍為設計異質集成系統提供靈活性，從而徹底改變不同材料的異質集成。

【數據概覽】

圖一、用于單晶膜生長和釋放的石墨烯納米圖案
a，納米圖案化石墨烯上的外延和層釋放的示意圖。b，生長在GaAs和Ge襯底上的GaAs和Ge的平面SEM圖像(左)和EBSD圖(右),顯示了平面化的單晶薄膜。比例尺，2 μm。c，在600 MPa的Ni應力水平和Ge襯底上70%的石墨烯覆蓋率下，作為應力源厚度和外延層厚度的函數的三種剝離模式。虛線表示沒有石墨烯的自然剝落深度。d、在600 MPa的應力源應力和1 μm的外延層厚度下石墨烯覆蓋對剝離模式的影響。e、剝離的GaAs膜(左)和剩余的兩英寸Ge晶片(右)的照片。f，g，剝離后襯底的平面圖SEM圖像(f)和AFM圖像(g)。h，GaAs襯底在剝落狀態下的平面SEM圖像。I，分層區域中樣品表面的平面SEM圖像，顯示了Ni/外延層界面(左)和膠帶/Ni界面(右)處的分層? 2022 Spring Nature

圖二、石墨烯納米圖案消除反相界面
a，b，直接生長在Ge (a)和納米圖案化石墨烯涂覆的Ge (b)上的GaAs的橫截面STEM圖像。c，d，生長在裸Ge (c)和納米圖案化石墨烯涂層Ge (d)上的AlGaAs紅色LEDs的平面SEM圖像。e，通過從襯底剝離LED結構并轉移到聚酰亞胺/硅襯底上而制造的LED的橫截面SEM圖像。f、在有和沒有納米圖案化石墨烯的情況下，在Ge上制造的LEDs的I-V曲線。g，在各種注入電流下，沒有(左)和有(右)納米圖案化石墨烯的Ge上的LEDs的EL光譜的比較。h，I，不同尺寸和幾何形狀的紅色發光二極管在涂有納米圖案的石墨烯的Ge (h)和裸Ge (i)上的EL顯微照片。注入電流為3、3、5和7 mA(從左至右)。比例尺，10 μm? 2022 Spring Nature

圖三、石墨烯納米圖案減少晶格不匹配異質外延的缺陷
a–c、無石墨烯異質外延的MD模擬(a),薄且柔性的石墨烯掩膜(b)和厚且剛性的掩膜(c)。d，無掩模直接生長在InP上的InAs的低倍STEM圖像。e，高分辨率STEM圖像(左)和相應的GPA圖，顯示平面內(中間)和平面外(右)應變。f，生長在石墨烯圖案上的InAs的低倍STEM圖像。g，石墨烯邊緣的高分辨率STEM圖像和相應的GPA圖，顯示了石墨烯輕微變形的弛豫InAs膜。h，I，生長在SiO₂圖案上的InAs的相同數據組，顯示了界面和掩模邊緣處的嚴重應變? 2022 Spring Nature

圖四、石墨烯覆蓋的影響
a、生長在具有不同石墨烯覆蓋率的納米圖案化石墨烯涂覆的GaAs上的InAs的ECCI圖像。比例尺，200 nm。b，表面位錯密度與通過ECCI測量的石墨烯覆蓋度的函數關系。c，用覆蓋表面的0%、20%和40%的不同掩模寬度在Si(100)上異質外延Ge的MD模擬，顯示通過增加石墨烯覆蓋減少了缺陷? 2022 Spring Nature

【成果啟示】

本工作展示了石墨烯納米圖案作為單晶薄膜外延的通用平臺，為生產各種高質量單晶膜提供了一條新途徑，克服了極性和晶格匹配限制，突破了異質集成多功能系統的關鍵障礙。

原文詳情：Kim, H., Lee, S., Shin, J. et al. Graphene nanopattern as a universal epitaxy platform for single-crystal membrane production and defect reduction. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01200-6