石墨烯/蓝宝石基底上无应力AlN的快速生长

唐智勇

国家纳米科学中心，北京 100190

(a) 石墨烯插入层对AlN成核的影响；(b) 石墨烯/蓝宝石及裸露蓝宝石区域AlN成核密度统计；(c，d) AlN/石墨烯/蓝宝石及AlN/蓝宝石平面样的选区电子衍射；(e) AlN/石墨烯/蓝宝石及AlN/蓝宝石中AlN的E2 (high)峰的拉曼表征；(f) AlN/石墨烯/蓝宝石中石墨烯的G峰及2D峰的拉曼表征；(g，h) AlN/石墨烯/蓝宝石及AlN/蓝宝石中AlN的E2 (high)峰的大范围拉曼表征。

以氮化物为代表的第三代半导体材料，在发光二极管1,2、激光二极管3、紫外辐射源4、高频功率电子学5,6等领域具有广阔的应用前景。目前，制备第三代半导体材料的常用方法是金属有机化学气相沉积(MOCVD)法，常用的衬底主要包括蓝宝石、硅、碳化硅等。但是，在材料异质外延过程中，衬底与半导体薄膜之间较大的晶格失配和热失配会导致材料中应力的积累以及缺陷密度的升高。除此之外，在材料岛状拼接生长过程中，在拼接界面处会引入大量的缺陷结构7。上述两类缺陷严重地降低了材料的质量，进而会影响器件的效率和可靠性。为了缓和晶格失配和热失配问题，通常需要在衬底和半导体薄膜之间生长一层缓冲层。合适的缓冲层材料能起到画龙点睛的作用。工业上常用的缓冲层是低温生长的多缺陷的氮化物。寻找合适的缓冲层材料和工艺是提升半导体薄膜质量的一个关键点。

石墨烯作为一种新型的二维材料具有诸多优异的物理化学性质，例如：超高的热导率、负膨胀系数及表面无悬挂键等等。因此，石墨烯作为缓冲层用于第三代半导体材料中有望缓解器件的散热、热失配及晶格失配等问题，同时还可以降低材料的成核密度，减弱材料中的应力积累，进而降低缺陷密度，提高晶体质量。

基于此，北京大学刘忠范教授课题组、高鹏研究员课题组与中国科学院半导体研究所李晋闽研究员课题组、中国科学院力学研究所魏宇杰研究员课题组合作，研究了AlN在石墨烯覆盖的蓝宝石上的生长行为，以及石墨烯对于AlN应力释放、缺陷密度降低的影响。图a，b为AlN在石墨烯/蓝宝石及裸露蓝宝石区域的成核情况。从图中可以看出：石墨烯的引入会显著降低AlN的成核密度。同时，在石墨烯/蓝宝石表面，大于200 nm的AlN核的密度要高于在裸露的蓝宝石表面。这说明石墨烯的引入可以提高AlN的生长速率，主要归结于无悬挂键的石墨烯表面金属粒子具有较低的迁移势垒。图c，d为AlN/石墨烯/蓝宝石及AlN/蓝宝石平面样的选区电子衍射，从图中可以看出：在 AlN/石墨烯/蓝宝石区域存在由于二次电子衍射造成的卫星斑点，这说明AlN与蓝宝石界面处晶格已经完全弛豫，两种材料保持各自的晶格常数，进而说明两种材料中的应力被完全释放。并且，AlN/石墨烯/蓝宝石及 AlN/蓝宝石中 AlN 的E2(high)峰拉曼表征(图 e，g，h)也表明：在石墨烯存在的情况下，AlN的 E2(high)峰更加接近于本征的峰位，进一步证明了石墨烯对于应力释放的促进作用。AlN/石墨烯/蓝宝石中石墨烯的G峰及2D峰的拉曼表征(图f)说明：在该体系中石墨烯承受很大的压缩应力，这主要归结于石墨烯具有负膨胀系数，蓝宝石与AlN具有正膨胀系数，在降温过程中，石墨烯承受来自上下两种材料的较大的压缩应力。

该工作清晰地研究了石墨烯在第三代半导体材料生长中的作用：AlN薄膜的快速生长能够有效降低所需要的生长时间，从而节约成本；界面应力的释放能够提高量子阱的发光效率。因此，该研究为石墨烯的应用开辟了新的领域，也为提升第三代半导体材料器件的性能提供了新的途径。该研究工作近期在Journal of the American Chemical Society杂志上在线发表8。