基于范德华外延技术的氮化物半导体薄膜柔性化制备研究

The next generation of wearable devices propose requirements for flexible fabrication of optoelectronic devices. However, the existing inorganic III-nitride optoelectronic devices are difficult to release and transfer. Aiming to these problems, this proposal will investigate the large-area flexible preparation of III-nitride optoelectronic devices through two technical routes, namely Van der Waals epitaxial growth as well as release and transfer based on compound insertion layer. The contents of study include: 1. Preparation and characterization of compound insertion layer; 2. Van der Waals epitaxy mechanism of III-nitride semiconductors; 3. Crystal quality optimization, p-type doping and ohmic contact; 4. Release and transfer technology of large-scale epilayers; 5. Influence of mechanical deformation on device performance. This study expects to realize: 1. The threading dislocation density of the epitaxial film is in the 10^9/cm^2 orders of magnitude; 2. The hole concentration of p-type GaN is greater than 3×10^17/cm^3, and the p-type specific contact resistivity is less than 5×10^-3 Ω·cm^2; 3. The central wavelength range of blue/green quantum wells varies continuously from 430 nm to 520 nm, and the internal quantum efficiency of blue light (460 nm) is more than 50%. 4. An epilayer on the 2-inch substrate can be released and transferred onto flexible foreign substrate. We plan to publish 8 SCI publications based on this proposal.

下一代可穿戴设备对光电子器件提出了柔性化制备的需求，而现有的无机氮化物半导体光电子器件剥离转印较为困难。本项目针对此瓶颈问题，从基于复合插入层的氮化物半导体范德华外延生长和无机半导体薄膜剥离转印这两条技术路线出发，解决氮化物半导体光电子器件大面积柔性化制备的问题。主要研究内容包括：复合插入层的制备及界面特性表征；氮化物半导体材料的范德华外延机理；材料质量优化及p型掺杂和欧姆接触；外延层的大面积剥离及柔性基底转印技术；机械形变对器件性能影响的研究。预期达到如下目标：外延层薄膜的穿透位错密度在10^9/cm^2量级，p型掺杂激活浓度大于3×10^17/cm^3，p型比接触电阻率小于5×10^-3 Ω·cm^2。蓝绿光量子阱的中心波长范围从430nm到520nm连续可变，其中蓝光（460nm）的内量子效率大于50%，两英寸衬底上的外延层薄膜可以实现整体剥离和转印，发表SCI论文8篇。

氮化物半导体在光电子器件和微波功率器件等领域得到了广泛应用。近年来，可穿戴设备和人工智能的高速发展要求电子元器件够实现人机界面交互，这就对下一代产品的便携性和柔性提出了很高的要求。柔性（光）电子器件具有可弯曲、可伸缩、便于携带等优点，未来氮化物（光）电子器件发展的重要趋势之一就是实现功能器件的柔性化制备。. 本项采用基于预取向层和牺牲层相结合的方式，对氮化物（光）电子器件的大面积柔性化制备开展了系列研究，包括高质量复合插入层的制备研究、氮化物半导体材料的范德华外延研究以及外延层的剥离转印研究。研究结果表明：（1）利用电子束蒸发沉积Ti牺牲层时，只有当衬底温度（300℃）和沉积速率（0.5nm/s）相匹配时，Ti原子才能获得最优的表面迁移能力。沉积厚度为300nm时Ti膜呈现出高c轴取向的结晶特性，且Ti膜的表面较为平整（10×10μm^2范围内的RMS可达1.54nm）。利用缓冲氢氟酸或者稀盐酸均可以将钛膜腐蚀掉。（2）在范德华外延的过程中，3层以上石墨烯可以实现衬底与外延层的彻底隔绝。通过控制氮化时间（优化值为30分钟）可以在保证范德华外延的前提下，中性的活性N原子轰击石墨烯预取向层从而产生适量的缺陷来为III族氮化物的生长提供成核位点。对三层石墨烯预取向层进行合适的氮化处理有助于得到表面较为平坦的六方相单晶GaN外延层。采用双原子层MEE法生长厚度适中（5~10nm）的AlN缓冲层，在三层石墨烯/石英衬底上可以获得表面较为平坦的六方相单晶GaN外延层，其优化后的穿透位错密度可以达到1.10×10^11cm^-2。（3）掺杂会在一定程度上影响材料的晶体质量，Si源温度在800℃时n型GaN在室温下的霍尔迁移率为62.4cm^2·V^-1·s^-1。而低温下生长的本征GaN体材料样品由于缺陷密度较高，其背景载流子浓度达到了1.61×10^17cm^-3。（4）借助复合插入层实现了蓝光单量子阱样品的剥离转印，有效释放了外延层中的残余应力。. 以上研究结果对无基半导体薄膜的大面积剥离转印提供了有力的技术支撑，为柔性可穿戴（光）电子器件制备技术提供一条新的思路。