以石墨烯實現(xiàn)GaN在硅面上的生長

以石墨烯為中間層在硅（100）面上形成的GaN結(jié)晶。SEM圖像。西班牙Graphenea公司2014年7月25日宣布，與日本立命館大學(xué)等共同實現(xiàn)了GaN結(jié)晶在硅（100）面上的生長（相關(guān)論文）。其要點在于用石墨烯作為中間層。;該技術(shù)的開發(fā)方為日本立命館大學(xué)理工學(xué)部電子光信息工學(xué)科荒木努和名西Yasushi的研究室、美國麻省理工學(xué)院（MIT）、韓國首爾大學(xué)（Seoul National University）、韓國東國大學(xué)（Dongguk University）及西班牙Graphenea公司。在硅（100）面上直接生長缺陷少的GaN結(jié)晶時非常困難，幾乎沒有成功先例。以前在GaN-on-Si技術(shù)方面取得實用化進展的，主要是在硅（111）面上生長GaN結(jié)晶的技術(shù)。GaN-on-Si技術(shù)的一大優(yōu)勢是能夠沿用已有的硅半導(dǎo)體制造裝置，但大部分的半導(dǎo)體制造裝置均以硅（100）面為對象，從硅（111）面上的GaN-on-Si技術(shù)來看，其沿用范圍有限。在此情況下，出現(xiàn)了在Si（100）面上形成中間層后，成功實現(xiàn)GaN結(jié)晶生長的案例。名古屋大學(xué)就是其中之一，該大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授天野浩的研究室通過在硅（100）面上形成“某種金屬層”，然后再在該金屬層上成功實現(xiàn)了GaN結(jié)晶的生長。此次Graphenea公司等在硅（100）面上首先形成石墨烯，然后在石墨烯上實現(xiàn)（0001）面的GaN結(jié)晶生長。詳細(xì)步驟如下。首先以普通的化學(xué)氣相沉積法（CVD）在銅（Cu）箔上形成石墨烯。接著轉(zhuǎn)印到硅基板上。這時，通過蝕刻去除Cu箔。然后，在該硅基板上的石墨烯上，以RF-MBE（Radio-Frequency Molecular Beam Epitaxy,射頻等離子體輔助分子束外延）法使GaN結(jié)晶生長。據(jù)Graphenea公司介紹，該RF-MBE法是立命館大學(xué)提供的技術(shù)，對具備高結(jié)晶性的GaN結(jié)晶生長起到了重要作用。利用掃描型電子顯示鏡（SEM）及高分辨率X線衍射技術(shù)檢測生長出的GaN時，顯示GaN結(jié)晶具備6角形對稱稱，是沿c軸方向生長的。另外，粒徑要比無石墨烯時大。與藍(lán)寶石基板上生長的GaN結(jié)晶相比，盡管還存在配向均一性問題，但從硅（100）面上生長的GaN結(jié)晶來看，實現(xiàn)了最高品質(zhì)。順便提一句，東京大學(xué)藤岡洋的研究室也宣布在石墨烯上生長出了GaN結(jié)晶（參閱本站報道1、2）。但藤岡等并不是硅上，而是在玻璃上形成GaN結(jié)晶的。而且，使用的也不是RF-MBE法，而是濺射法。