SiC與石墨烯覆蓋層一起用于GaN膜的生長

氮化鎵（GaN）為從RF-IC到眾多功率控制IC（例如通信，能源和軍事應(yīng)用中使用的大功率HEMT）等各種模擬微芯片提供了顯著的性能優(yōu)勢。GaN還是高能效固態(tài)照明中使用的高亮度LED的首選材料。

但是，最優(yōu)質(zhì)的單晶GaN是通過幾種需要昂貴的一次性碳化硅（SiC）襯底的外延工藝生長而成的，這限制了其在包括消費電子產(chǎn)品在內(nèi)的更廣泛市場中的商業(yè)化。IBM TJ Watson研究中心科學(xué)家最近的一項發(fā)現(xiàn)可能會在稱為直接范德華外延的單晶GaN薄膜生長過程中改變所有這些情況。

引人注目的研究發(fā)現(xiàn)基于圖1所示的工藝流程，將可回收的SiC襯底與石墨烯覆蓋層一起用于GaN膜的生長。隨后將這些GaN膜小心地提起，而不會影響其粗糙度或結(jié)晶度，并轉(zhuǎn)移硅基器件結(jié)構(gòu)，可以對LED或IC進行進一步處理。鎳沉積在GaN層的頂部，并采用熱剝離帶技術(shù)將GaN層轉(zhuǎn)移到Si襯底疊層。如圖2所示，回收的SiC基板用于制造功能正常的藍色LED。

許多公司和研究小組都嘗試在不使用過渡層的情況下直接在硅上生長GaN，以減少硅上的晶格失配和缺陷密度，但效果有限。即使GaN和石墨烯之間的晶格匹配約為23％，IBM小組仍產(chǎn)生了非常高質(zhì)量的外延膜，該膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定到足以將層轉(zhuǎn)移到低成本的常規(guī)硅襯底材料疊層上。此外，拉曼光譜法表明在轉(zhuǎn)移過程之后，GaN的背面沒有殘留石墨烯，電子顯微鏡支持該數(shù)據(jù)。

GaN憑借其優(yōu)越的電子性能，有潛力在所有模擬IC器件中替代GaAs，但相對較高的成本使其無法使用。許多模擬IC公司已經(jīng)生產(chǎn)了很小一部分基于GaN的RF-IC，主要用于軍事電子領(lǐng)域，而GaAs已被價格敏感的移動設(shè)備（例如智能手機）所青睞。

這些公司中的大多數(shù)都從Cree購買SiC襯底，后者制造相同的芯片。因此，諸如TriQuint Semiconductor和Texas Instruments之類的公司正在尋求減少對供應(yīng)鏈依賴Cree的利益沖突，而Cree也是頂級LED生產(chǎn)商。如果這項研究在未來五年中完全實現(xiàn)商業(yè)化，那么在石墨烯上使用GaN的可重復(fù)使用SiC襯底可能是答案。

在過去的十年中，IBM在石墨烯研究上投入了數(shù)百萬美元，被認為是該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。毫不奇怪，它的一個研究小組做出了這一發(fā)現(xiàn)，該發(fā)現(xiàn)最近于9月11日在Jeehwan Kim等人的《自然通訊》上發(fā)表。（第5卷，第4,836頁）。由于石墨烯比Si優(yōu)越的電子性能，IBM還對開發(fā)石墨烯基板以完全替代Si感興趣。此外，該公司計劃在未來五年內(nèi)在這項技術(shù)上投資30億美元，這可能會帶來更多突破，從而推動先進電子設(shè)備中石墨烯和GaN商業(yè)化的前景。

編輯：hfy