二维晶体过渡层上低位错密度GaN外延生长研究

This project aims to overcome the technical bottlenecks of the low-dislocation-density GaN film by the use of 2D materials transition layer. The project will study the Van der Waals epitaxy of 2D materials such as MoS2, h-BN and so on, and develop techniques for single crystalline 2D materials on large-size substrate; study the molecular beam epitaxy of h-BN and the epitaxy of GaN with very high growth rate at the same UHV chamber, and develop techniques to obtain high quality GaN on 2D materials; study the mechanism of GaN crystal nucleation on 2D materials and mechanism to eliminate threading dislocations, succeed in control of interface between 2D materials and GaN, and set up technique of high quality GaN on 2D materials on transferred 2D material substrates; study on growth kinetics of CVD-MBE-MOCVD-HVPE, understand mechanism of stress and threading dislocation distribution, and set up the epitaxy technique for thick GaN with low threading dislocation density; study the mechanical lift off of GaN on 2D materials, understand the stress relaxation at the interface between GaN and 2D buffer layer, and thus develop the technique of effective mechanical lift off. Finally, the project will achieve GaN layer with the threading dislocation density lower than 106 cm-2 and establish foundation for GaN-based optoelectronic and electronic device.

本项目针对二维晶体过渡层上实现低位错密度GaN外延所面临的关键科学问题和技术瓶颈，开展MoS2、h-BN等二维材料的范德瓦尔斯外延研究，建立大尺寸、单一取向二维材料外延关键技术；开展h-BN的分子束外延和原位高速GaN的外延生长研究，建立原位二维材料上高质量GaN外延生长技术；开展GaN在二维材料过渡层上成核机制及位错抑制研究，实现二维材料-GaN界面精确控制，掌握二维材料上高质量GaN直接外延的核心技术；开展CVD-MBE-MOCVD-HVPE多方法联合外延GaN的生长动力学研究，掌握大尺寸膜厚分布与热失配应力分布及位错湮灭规律，建立低位错密度GaN厚膜的外延工艺；开展二维材料上GaN材料剥离机制研究，掌握界面处应力释放机制，建立二维材料上GaN材料的可控剥离转移技术。最终在二维晶体过渡层上实现位错密度低于106 cm-2的GaN材料，为实现GaN基光电器件和电力电子器件奠定材料基础。

解决异质外延生长界面大失配、难分离问题，实现高晶体质量、低缺陷密度的氮化物半导体材料及器件结构的可控制备是第三代半导体的研究重点。二维材料的兴起和制备技术的不断突破，给氮化物半导体外延提供了一个全新思路--即准范德华外延。然而，大尺寸、单一取向二维材料的外延技术尚不成熟，氮化物半导体与二维材料的界面耦合机制不清晰，二维材料上氮化镓（GaN）基薄膜晶体质量不足等问题，限制了氮化物半导体准范德华外延技术路线的发展与新功能光电器件的研发。本项目针对以上科学问题，以实现二维材料上低位错密度GaN外延薄膜为目标，通过核心装备自主升级与立式生长技术开发，在4英寸蓝宝石衬底上实现了准单晶的单层二硫化钼（MoS2）薄膜均匀生长；通过高温热退火处理（1700℃）驱动氮化硼（BN）薄膜重结晶，提高了BN薄膜的晶体质量，建立了晶圆级单晶h-BN薄膜的温度驱动制备技术；发展了基于二维晶体过渡层的氮化物外延结构晶格极性、应变弛豫调制技术，阐明了氧原子辐照石墨烯上GaN外延的界面成键机制研究与晶格极性界面操纵规律，提出了GaN外延层晶格极性的界面原子构型调控模型，掌握了氮化物半导体准范德华外延生长动力学规律，在单晶蓝宝石（Al2O3）、多晶钼（Mo）等衬底实现了光电器件用单晶GaN薄膜的可控制备；开发出基于二维晶体过渡层的大尺寸高质量GaN单晶制备与界面分离技术，通过准范德华外延界面弛豫外延结构中的失配应力、提高外延材料晶体质量，实现了位错密度低于1×106 cm-2的GaN单晶衬底，制备出500 µm厚的4英寸自支撑GaN单晶衬底和5 µm厚的4英寸柔性超薄GaN单晶衬底及柔性InGaN基红光LED。项目执行期间共发表科研论文82篇，申获发明专利26项，培养研究生37人。本项目的顺利实施有力推动了我国氮化物半导体与二维材料体系的交叉融合，促进了国内优势研发单位的强强联合，助力我国氮化物半导体光电子器件领域的快速发展。