光州科学技术研究所研究人员揭示AIN表面凹坑对GaN远程外延的影响

远程外延在半导体制造领域越来越受到关注，用于生长复制模板晶体结构的薄膜，随后可以将其剥离以形成独立的薄膜。然而，恶劣的外延条件通常会对模板材料造成损坏，例如在石墨烯/AlN 模板上远程外延 GaN 薄膜的情况，GaN 薄膜是用于发光二极管、光电探测器和电力电子器件的有前景的材料。

由于该工艺涉及高温，GaN远程异质外延尚未通过标准金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术实现。据报道，放置在基板上的石墨烯在高温或MOCVD中使用活性气体等极端环境下会因化学不稳定性而受到损坏，从而导致无法剥离生长的GaN薄膜。

在此背景下，光州科学技术学院半导体工程系系主任兼电气工程与计算机科学学院教授 Dong-Seon Lee 领导的研究小组最近使用远程外延生长 GaN通过 MOCVD 在石墨烯/AlN 模板上制备薄膜，并研究 AlN 表面凹坑对这些薄膜生长和剥离的影响。他们的论文于 2023 年 6 月 6 日在线发布，并于 2023 年 6 月 27 日发表在《ACS Nano》 杂志第 17 卷第 12 期上。

研究人员首先进行了950℃、5分钟的退火测试，以检查AlN上石墨烯的热稳定性。根据其结果，他们开发了一种两步工艺，通过 MOCVD 在模板上生长 GaN 薄膜。第一次 GaN 生长在 750 °C 下进行 10 分钟，随后第二次生长在 1050 °C 下进行 60 分钟。由此生长的 GaN 薄膜的剥离被用作远程外延工艺成功的证明。虽然在750℃下生长的薄膜可以成功剥离，但在第二步生长后分离失败。

经过更深入的分析，研究小组发现AlN表面的纳米级凹坑导致其附近的石墨烯在较高温度下发生降解，从而改变了GaN薄膜的生长模式。结果，GaN直接与AlN衬底键合，导致薄膜剥离失败。“通过这项研究，我们首次揭示了基材的结构问题也会导致剥离失败。这些结果证明了模板的化学和形貌特性对于成功远程外延的重要性。” Lee 教授强调说。

该研究为远程外延发展的稳定实施提供了初步的实验数据支持。当被问及目前工作的意义时，Lee 教授表示：“在不久的将来，GaN 远程外延实施预计将为电动汽车行业提供所需的高质量 GaN 半导体。由于基板回收成为可能，因此有望改变现有半导体行业的格局。此外，克服摩尔定律也是可能的。”