1 工作简介

         ——共价二维缓冲层：让非晶支持单晶

半导体领域非常关键的外延技术本质上是在一个单晶衬底上获得另外一个单晶（单晶支持单晶）。同质外延（A单晶支持A单晶）推动了硅产业的迅猛发展；异质外延（A单晶支持B单晶, A/B不同物相）则进一步拓宽了衬底选择，为化合物半导体（如GaAs和GaN）在光电子与高功率/高频器件中的应用提供了关键支撑，然而，这些成熟的外延技术仍然是单晶之间的游戏。同质/异质单晶外延通过晶格匹配理论的支撑尚能继续稳步发展，然而非晶基底上实现单晶似乎成了从理论和实验角度看都难以解决的巨大难题。 最近科学家们尝试用范德华二维材料缓冲层去打破衬底限制，以期待摆脱对单晶基底的依赖，然而范德华键的弱控制能力无法有效实现成核晶粒的一致取向，导致外延薄膜存在过多缺陷，难以满足器件级制造要求。

图1. 提出了“化学键转换”策略实现非晶衬底上高质量单晶GaN薄膜外延生长。

针对上述问题，南京大学研究团队同阿卜杜拉国王科技大学、合肥工业大学共同提出了创新性的“化学键转换”策略，将范德华键结合的二硫化钼（MoS₂）转变为共价键结合的氮化钼（MoN）材料。利用这一新型MoN作为缓冲层，在整个晶圆级的非晶衬底上实现了取向高度一致的GaN薄膜单晶。这一策略充分利用二维材料易转移的优势的同时，还能通过化学键转换（范德华键-共价键）强化了外延晶格匹配，从而完全突破了单晶衬底对外延的限制，在非晶表面生长完美单晶（非晶支持单晶）。

图2. 非晶衬底上AlN/MoN模板与高质量GaN薄膜。

基于以上“化学键转换”的外延新策略，研究团队在蓝宝石衬底上生长了多层的晶圆级单晶MoS₂，然后通过晶圆级的无损转移技术转移到SiO₂非晶衬底上，进而经过精准的硫-氮原子层层置换，MoS₂的范德华层状结构神奇的转变为MoN的共价键层状结构。更有意思的是，MoN完美继承了MoS₂晶格的六方对称性和晶圆范围内的单一晶格取向，从而实现了AlN缓冲层的均匀单向成核继而获得完美的GaN薄膜单晶：表面粗糙度 0.168 nm，(002) 与 (102) 面摇摆曲线半峰宽分别低至 0.19° 和 0.32°，创造了截至目前非单晶衬底外延单晶的最佳水平，媲美传统商用单晶基的GaN薄膜的晶体质量。在此基础上，团队进一步生长了AlGaN/AlN/GaN异质结构，该异质界面处二维电子气（2DEG）的室温迁移率高达2240 cm²V^-¹s^-¹，达到现有AlGaN/GaN异质结构二维电子气室温迁移率的最好水平（2000 cm²V^-¹s^-¹以上）。基于该异质结构，团队完成了高电子迁移率晶体管（HEMT）器件验证，器件性能优良且一致性良好。这也是国际上首次在非晶衬底上直接外延实现 GaN 基 HEMT 器件。该技术突破为高性能Ⅲ族氮化物材料与器件摆脱单晶衬底约束、在功能非晶基底上直接异质集成提供了全新外延路径，并有望推广至其他六方晶格半导体在非晶衬底上的异质外延。

图3. 非晶衬底上首个高性能HEMT器件。

相关成果以“2D缓冲层技术突破Ⅲ族氮化物外延衬底限制”（Two- dimensional buffer breaks substrate limit in III- nitrides epitaxy）为题发表在《科学进展》（Science Advances）上。南京大学集成电路学院庄喆副教授、电子科学与工程学院刘斌教授、张荣院士、合肥工业大学邢琨副教授、阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授为该论文的共同通讯作者，南京大学集成电路学院桑艺萌博士后、伍莹副研究员和沙特阿卜杜拉国王科技大学徐向明研究科学家（现为中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员）为论文的共同第一作者。论文还得到了南京大学集成电路学院王欣然教授、丁孙安教授、电子科学与工程学院陈敦军教授、王学锋教授、陶涛副教授等指导。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等基金项目资助。

2 主要作者简介

共同第一作者

桑艺萌，南京大学集成电路学院博士后。

2024年毕业于南京大学电子科学与工程学院，研究方向是Ⅲ族氮化物光电子材料与器件集成，以第一/共一作者在Sci. Adv.、IEEE IEDM、Appl. Phys. Lett.、IEEE Electron Device Lett.等国际知名期刊会议上发表论文8篇，申请授权国家发明专利4项，研究成果多次入选“Editor’s pick”，并被《Compound Semiconductor》专题报道。

共同第一作者

徐向明，上海微系统与信息技术研究所副研究员。

2020年博士毕业于阿卜杜拉国王科技大学，回国前在阿卜杜拉国王科技大学先后担任博士后研究员，研究科学家兼半导体实验室主管，2019年柔性电子国际大会唯一青年研究员奖获得者（Oral talk）并在2022年获哈佛大学高等教育教学资格认证。在晶圆级二维材料生长、MXene 微纳电子应用等领域取得特色鲜明的突破性成果，在Nature Nano.、Nature Rev. Mater.、Nature Electron.、Science Advances、Matter、Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater. 等总发表论文45篇，Google Scholar citation 1800以上，H-index 22，以第一作者（含共一）在多家综合性/专业性顶级期刊发表论文 20 篇，兼任多个国际顶级/知名期刊审稿人。

共同第一作者

伍莹，南京大学集成电路学院特聘副研究员。

2016年毕业于英国巴斯大学凝聚态物理专业，利用第一性原理和原子分辨表征方法揭示了低维材料新奇物理性质；修正了密度泛函紧束缚方法并显著提升其对极性材料描述的准确性；参与多项基于真空互联原位表征和跨尺度仿真计算联动的半导体和前沿物理方向的科研工作，工作发表于Comput. Mater. Sci.、J. Phys. Chem. C.、ACS Nano等国际顶尖期刊上。主持多项与头部公司的横向合作项目。

共同通讯作者

庄喆，南京大学集成电路学院副教授、博导、国家级青年人才。

本科/博士毕业于南京大学，曾赴英国谢菲尔德大学III-V族半导体国家研究中心作访问研究，沙特阿卜杜拉国王科技大学做博士后。长期从事宽禁带半导体材料与器件研究，在Sci. Adv.、IEEE IEDM等知名学术期刊和会议发表第一/通讯作者论文30余篇，多项研究成果被《Semiconductor Today》、《Compound Semiconductor》等国际科技媒体报道，申请/授权多项中国/美国/PCT发明专利，部分已转化应用。先后主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、苏州市姑苏创新创业领军人才计划等。获2024年度中国第三代半导体技术十大进展、2024年中国产学研合作创新成果奖、江苏省优秀博士学位论文等。

共同通讯作者

邢琨，合肥工业大学副教授、硕士生导师。

2014年获得英国谢菲尔德大学博士学位，于同年在英国谢菲尔德大学-英国国家宽禁带半导体研发中心进行博士后研究工作。长期从事GaN、AlN等第三代(宽禁带)半导体材料及光电子器件的MOCVD外延及芯片制程研究。承担多项由英国工程和自然研究委员会（EPSRC）拨款的国家级重点科研项目。主持国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中央高校资助项目、以及多个校企联合横向课题，推进科研成果向产品的有效转化，解决产业界当下面临的科学和技术难题。目前，已在Appl. Phys. Lett.、IEEE Electron Device Lett.、Nanoscale、Opt. Express、Appl. Phys. Express、IEEE Photonics Technol. Lett.、Opt. Commun.、J. Cryst. Growth等重要SCI学术期刊以第一/通讯作者发表学术论文20余篇。

共同通讯作者

张荣，厦门大学/南京大学教授、中国科学院院士、博导。

长期致力于半导体新材料、器件和物理研究，是我国最早从事宽禁带半导体研究的科学家之一。先后主持国家“973”计划、“863”计划、国家自然科学基金重大项目等数十项国家和地方重大研究课题。在解决基础物理问题、攻克材料制备难题的基础上，研制成功新型高性能紫外探测和固态光源器件，开拓高灵敏空天日盲紫外探测成像等重要应用领域，取得了系统性、创造性成就，产生重大社会经济效益。获国家技术发明二等奖、国家自然科学二等奖和国家技术发明三等奖、何梁何利科学与技术进步、省部级科技一等奖3项。

共同通讯作者

刘斌，南京大学电子科学与工程学院院长、教授、博导，入选国家高层次人才计划、曾入选青长与优青。

主要研究领域为III族氮化物半导体材料与器件，Micro-LED新型显示技术，近年专注于GaN基Micro-LED材料生长、器件制备与机理研究，与华为、天马微电子等龙头企业合作开发高密度车载用Micro-LED芯片，量子点集成全色Micro-LED器件。主持国家重点研发专项项目与课题，国家自然科学基金委面上项目，江苏省前沿引领技术项目等12项，参加国家自然科学基金创新群体项目，科技部“973”、“863”计划等项目，成果发表于Nature Nano.、Adv. Mater.、Adv. Func. Mater.、IEEE Electron Device Lett./Trans. Electron Devices/Photonics Technol. Lett.等学术期刊。

3 原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw5005