近日，西安電子科技大學(xué)集成電路學(xué)部郝躍教授團(tuán)隊張進(jìn)成教授、寧靜教授聯(lián)合武漢大學(xué)何軍教授團(tuán)隊在寬禁帶半導(dǎo)體材料領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，開發(fā)了一種范德華極化工程異質(zhì)集成方法（PEVIS），相關(guān)成果以《Van der Waals integration of 4-inch single-crystalline III-nitride semiconductors》為題，發(fā)表于材料科學(xué)頂級期刊《Advanced Materials》（中國科學(xué)院I區(qū)TOP期刊，IF=26.8），集成電路學(xué)部張進(jìn)成教授為論文通訊作者，寧靜教授為共同第一作者，博士研究生武海迪為學(xué)生第一作者。

面向新一代高性能氮化物寬禁帶半導(dǎo)體器件與異構(gòu)集成電路發(fā)展的需要，通過二維材料異質(zhì)外延III氮化物半導(dǎo)體，借助范德華界面能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變弛豫、位錯密度降低和無損異質(zhì)集成，傳統(tǒng)方法在二維材料上外延III族氮化物時，二維材料的有限潤濕性和弱界面相互作用使得在晶圓尺度上實現(xiàn)III族氮化物半導(dǎo)體的有序晶體取向構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。本研究創(chuàng)新性地提出了一種范德華極化工程異質(zhì)集成方法（polarization-engineered vdW integration strategy），通過精準(zhǔn)調(diào)控外延襯底的電子極化特性，通過二維材料的缺陷和通孔將促進(jìn)準(zhǔn)范德華外延生長形成可以與外延產(chǎn)物結(jié)合的不飽和懸掛鍵，清晰的闡述了在二維材料上范德華外延III族氮化物半導(dǎo)體的關(guān)鍵核心機理，實現(xiàn)了III族氮化物半導(dǎo)體和襯底之間的電荷轉(zhuǎn)移。

在二維材料上實現(xiàn)了4英寸可剝離的單晶GaN層異質(zhì)外延，并且當(dāng)外延層厚度減小到400 nm時，位錯密度低至3.49×108 cm-2，基于該技術(shù)制備的GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）展示出2080.7 cm2 V-1 s-1的超高遷移率，高電子遷移率晶體管（HEMT）展示出790 mA/mm的高飽和電流密度和1.11×10?? mA/mm的低截止電流。該突破性成果為氮化物半導(dǎo)體的范德華異質(zhì)集成提供了全新的理論認(rèn)知，解決了氮化物寬禁帶半導(dǎo)體范德華外延的關(guān)鍵難題，實現(xiàn)了高質(zhì)量超薄氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，為高性能寬禁帶半導(dǎo)體器件的跨材料、跨功能的大面積異構(gòu)集成掃清了關(guān)鍵障礙。

文章信息

Yao Wen, Jing Ning, Haidi Wu, Haoran Zhang, Ruiqing Cheng, Lei Yin, Hao Wang, Xiaolin Zhang, Yong Liu, Dong Wang, Yue Hao, Jincheng Zhang*, Jun He*，Van der Waals integration of 4-inch single-crystalline III-nitride semiconductors, Adv. Mater. 2025, 2501916,https://doi.org/10.1002/adma.202501916