針對新一代高性能氮化物寬禁帶半導(dǎo)體器件與異構(gòu)集成電路發(fā)展的需要，基于二維材料插層的氮化物半導(dǎo)體范德華外延技術(shù)因其柔性和可轉(zhuǎn)移性，突破了傳統(tǒng)外延的物理限制，是實(shí)現(xiàn)多種半導(dǎo)體材料的異質(zhì)異構(gòu)集成與功能創(chuàng)新的重要途徑。然而，石墨烯等二維材料表面惰性導(dǎo)致的氮化物成核難題是制約范德華外延氮化物半導(dǎo)體材料與器件發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。近日，一項(xiàng)關(guān)于范德華外延高質(zhì)量超薄氮化物半導(dǎo)體材料的研究成果發(fā)表于《Advanced Materials》，該研究由武漢大學(xué)何軍教授團(tuán)隊(duì)與西安電子科技大學(xué)郝躍院士團(tuán)隊(duì)張進(jìn)成教授、寧靜教授合作完成，武漢大學(xué)文耀副研究員與西安電子科技大學(xué)寧靜教授與為論文共同第一作者，何軍教授、張進(jìn)成教授為論文共同通訊作者。
氮化物范德華外延是指通過二維材料插層異質(zhì)外延III氮化物半導(dǎo)體薄膜，借助范德華界面能夠?qū)崿F(xiàn)氮化鎵等外延材料的應(yīng)變弛豫、位錯(cuò)密度降低和無損異質(zhì)集成。然而，在二維材料上外延III族氮化物時(shí)，二維材料的有限潤濕性和弱界面相互作用使得在晶圓尺度上實(shí)現(xiàn)III族氮化物半導(dǎo)體的有序晶體取向和高質(zhì)量薄膜制備非常困難。本研究創(chuàng)新性地提出了一種范德華極化工程異質(zhì)集成方法（Polarization-engineered vdW integration strategy），利用III族氮化物中Al面的極性與二維材料之間的偶極矩關(guān)系，在外延襯底中設(shè)計(jì)穩(wěn)健的電子極化增強(qiáng)界面的靜電勢、電荷相互作用和結(jié)合能，二維材料的缺陷和通孔將促進(jìn)準(zhǔn)范德華外延生長，形成可以與外延產(chǎn)物結(jié)合的不飽和懸掛鍵，實(shí)現(xiàn)了III族氮化物半導(dǎo)體和襯底之間的電荷轉(zhuǎn)移，從而在二維材料上制備出4英寸高質(zhì)量超薄GaN異質(zhì)外延材料，并且當(dāng)外延層厚度減小到400 nm時(shí)，仍可維持低位錯(cuò)密度（3.49×108 cm-2）。基于該技術(shù)制備的GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣室溫遷移率達(dá)2080.7 cm2 V-1 s-1，高電子遷移率晶體管（HEMT）展示出790 mA/mm的高飽和電流密度和1.11×10?? mA/mm的低截止電流。該成果為高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體的范德華外延和異質(zhì)集成提供了新機(jī)理，解決了氮化物寬禁帶半導(dǎo)體范德華外延的關(guān)鍵難題，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量超薄氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，為高性能寬禁帶半導(dǎo)體器件的跨材料、跨功能的大面積異構(gòu)集成掃清了關(guān)鍵障礙。
圖1 基于石墨烯插層的范德華外延氮化鎵外延材料
圖2 范德華外延與傳統(tǒng)異質(zhì)外延氮化物外延材料與HEMT器件比較
文章信息：Yao Wen, Jing Ning, Haidi Wu, Haoran Zhang, Ruiqing Cheng, Lei Yin, Hao Wang, Xiaolin Zhang, Yong Liu, Dong Wang, Yue Hao, Jincheng Zhang*, Jun He*，Van der Waals integration of 4-inch single-crystalline III-nitride semiconductors, Adv. Mater. 2025, 2501916, https://doi.org/10.1002/adma.202501916