Nature: 通過石墨烯實現遠距離外延生長，可高效高質量的轉移二維材料

【引言】

在集成電路精度要求日益提升的今天，傳統半導體材料的加工與制備工藝逐漸不能滿足晶體管尺寸的要求。二維半導體材料的層狀維度特性和優異的光電性能使其在未來微納電子領域有著廣闊的應用前景。二維材料的制備和轉移技術進而成為基礎科研中的重點。外延生長作為半導體工業中晶體制備的重要技術，卻經常受到基體與外延層間晶格錯配的限制。因此，對外延生長的研究和探索仍在進行。

【成果簡介】

近日，麻省理工學院 (MIT) 的Jeehwan Kim (通訊作者) 等人在Nature?雜志上發表了一篇題為“Remote epitaxy through graphene enables two-dimensional material-based layer transfer”的文章。該文章報道了在石墨烯夾層存在下，仍可實現在GaAs基底上同質外延生長GaAs層的工作。通過密度泛函理論計算發現在一定距離內，兩GaAs晶面間隙中仍存在電子分布。且實驗結果表明，石墨烯較弱的范德華勢不能完全屏蔽基底和外延層間的相互作用，從而實現了在單層石墨烯夾層存在下遠距離同質外延生長GaAs，InP和GaP。該方法生長的GaAs等材料為高質量單晶，且石墨烯夾層的存在使外延層可以快速完整的從基底剝離。用該方法制備的AlGaInP-GaInP 雙異質結LEDs的性能也可與直接在GaAs基底上外延生長制備的LEDs相匹敵。

【圖文導讀】

圖1.?不同層數石墨烯夾層下基底與外延層間相互作用

(a). 兩GaAs材料As-Ga表面間的電荷密度隨間隙距離變化的DFT計算結果，曲線顯示As-Ga表面間距在9?范圍內間隙內存在連續電荷分布。

(b). 兩GaAs材料As-As表面間的電荷密度隨間隙距離變化的DFT計算結果，曲線顯示As-As表面間距在9?范圍內間隙內存在連續電荷分布。

(c). 在單層石墨烯-GaAs?(001)基底上遠距離外延生長的GaAs的EBSD照片，顯示外延生長GaAs為 (001)?取向單晶。

(d-e).?在雙層石墨烯-GaAs(001)基底和四層石墨烯-GaAs(001)基底上遠距離外延生長GaAs的EBSD照片，顯示雙層和四層石墨烯存在下外延生長GaAs為多晶，主要晶粒取向為(111)方向。

圖2. 單層石墨烯-GaAs(001)?基底上GaAs外延層物相與結構表征

(a). 剝離GaAs外延層的大范圍EBSD照片。

(b). 剝離GaAs外延層的高分辨XRD?φ-scan圖譜，結果顯示GaAs外延層為閃鋅礦結構單晶，不存在面內方位角扭轉。

(c). 在未經H₂退火的單層石墨烯-GaAs基底上生長的GaAs層的EBSD照片，顯示外延GaAs層為多晶相。

(d). 基底與外延層截面高分辨像，顯示GaAs外延層與GaAs(001)?基底越過單層石墨烯晶格相對應，各自的匯聚束電子衍射譜顯示外延層與基底具有統一的閃鋅礦型(001)晶相。

(e). 低角環形暗場STEM顯示外延層在測試區域內不存在缺陷。

圖3. 在單層石墨烯-GaAs基底上制備的AlGaInP-GaInP 雙異質結LEDs

(a). 雙異質結LEDs截面的SEM照片。

(b). 在石墨烯-GaAs和GaAs基底上生長的LEDs的I-V曲線。

(c). 在石墨烯-GaAs和GaAs基底上生長的LEDs的電致發光光譜，插圖為工作中LEDs照片。顯示出遠距離外延生長材料且經轉移后仍具有很好的晶體質量。

圖4. 在石墨烯-III-V(001)基底上遠距離外延生長制備的III-V(001)單晶

(a, d, g). GaAs；(b, e, h). InP；(c, f, i). GaP

(a-c). 從石墨烯-III-V(001)基底上剝離下的單晶GaAs(001)，InP(001)和GaP(001)外延層照片，左上角插圖為高分辨XRD和EBSD樣品的制備過程示意圖。

(d-f). GaAs(001)，InP(001)和GaP(001)外延層的高分辨XRD ω-2?掃描。

(g-i). GaAs(001)，InP(001)和GaP(001)外延層的大范圍EBSD照片。

【小結】

III-V基底材料的電勢可滲透過與其緊密接觸的單層石墨烯，因此在石墨烯夾層存在下，基底與外延層之間的相互作用使遠距離外延成為可能。而石墨烯夾層的存在使外延層很容易完整地從基底上剝離下來，通過該技術，可以實現各種光電材料的高質量生長，轉移和堆疊而無需考慮晶格錯配的限制。該技術也為不同材料的異質集成打開了新的途徑且節約昂貴稀缺基底。

文獻鏈接：Remote epitaxy through graphene enables?two-dimensional material-based layer transfer?(Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature22053)

本文由材料人電子電工學術組任丹丹供稿，材料牛整理編輯。

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