以石墨烯实现GaN在硅面上的生长

以石墨烯为中间层在硅（100）面上形成的GaN结晶。SEM图像。

西班牙Graphenea公司2014年7月25日宣布，与日本立命馆大学等共同实现了GaN结晶在硅（100）面上的生长（相关论文）。其要点在于用石墨烯作为中间层。;该技术的开发方为日本立命馆大学理工学部电子光信息工学科荒木努和名西Yasushi的研究室、美国麻省理工学院（MIT）、韩国首尔大学（Seoul National University）、韩国东国大学（Dongguk University）及西班牙Graphenea公司。

在硅（100）面上直接生长缺陷少的GaN结晶时非常困难，几乎没有成功先例。以前在GaN-on-Si技术方面取得实用化进展的，主要是在硅（111）面上生长GaN结晶的技术。GaN-on-Si技术的一大优势是能够沿用已有的硅半导体制造装置，但大部分的半导体制造装置均以硅（100）面为对象，从硅（111）面上的GaN-on-Si技术来看，其沿用范围有限。

在此情况下，出现了在Si（100）面上形成中间层后，成功实现GaN结晶生长的案例。名古屋大学就是其中之一，该大学研究生院工学系研究科教授天野浩的研究室通过在硅（100）面上形成“某种金属层”，然后再在该金属层上成功实现了GaN结晶的生长。

此次Graphenea公司等在硅（100）面上首先形成石墨烯，然后在石墨烯上实现（0001）面的GaN结晶生长。详细步骤如下。

首先以普通的化学气相沉积法（CVD）在铜（Cu）箔上形成石墨烯。接着转印到硅基板上。这时，通过蚀刻去除Cu箔。

然后，在该硅基板上的石墨烯上，以RF-MBE（Radio-Frequency Molecular Beam Epitaxy,射频等离子体辅助分子束外延）法使GaN结晶生长。据Graphenea公司介绍，该RF-MBE法是立命馆大学提供的技术，对具备高结晶性的GaN结晶生长起到了重要作用。

利用扫描型电子显示镜（SEM）及高分辨率X线衍射技术检测生长出的GaN时，显示GaN结晶具备6角形对称称，是沿c轴方向生长的。另外，粒径要比无石墨烯时大。与蓝宝石基板上生长的GaN结晶相比，尽管还存在配向均一性问题，但从硅（100）面上生长的GaN结晶来看，实现了最高品质。

顺便提一句，东京大学藤冈洋的研究室也宣布在石墨烯上生长出了GaN结晶（参阅本站报道1、2）。但藤冈等并不是硅上，而是在玻璃上形成GaN结晶的。而且，使用的也不是RF-MBE法，而是溅射法。