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以石墨烯實現GaN在矽面上的生長,立命館大學及MIT等開發

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以石墨烯為中間層在矽(100)面上形成的GaN結晶。SEM圖像。(照片由Graphenea公司提供

  以石墨烯為中間層在矽(100)面上形成的GaN結晶。SEM圖像。(照片由Graphenea公司提供

西班牙Graphenea公司2014年7月25日宣布,與日本立命館大學等共同實現了GaN結晶在矽(100)面上的生長(相關論文)。其要點在于用石墨烯作為中間層。;該技術的開發方為日本立命館大學理工學部電子光信息工學科荒木努和名西Yasushi的研究室、美國麻省理工學院(MIT)、韓國首爾大學(Seoul National University)、韓國東國大學(Dongguk University)及西班牙Graphenea公司。

在矽(100)面上直接生長缺陷少的GaN結晶時非常困難,幾乎沒有成功先例。以前在GaN-on-Si技術方面取得實用化進展的,主要是在矽(111)面上生長GaN結晶的技術。GaN-on-Si技術的一大優勢是能夠沿用已有的矽半導體制造裝置,但大部分的半導體制造裝置均以矽(100)面為對象,從矽(111)面上的GaN-on-Si技術來看,其沿用範圍有限。

在此情況下,出現了在Si(100)面上形成中間層後,成功實現GaN結晶生長的案例。名古屋大學就是其中之一,該大學研究生院工學系研究科教授天野浩的研究室通過在矽(100)面上形成“某種金屬層”,然後再在該金屬層上成功實現了GaN結晶的生長。

此次Graphenea公司等在矽(100)面上首先形成石墨烯,然後在石墨烯上實現(0001)面的GaN結晶生長。詳細步驟如下。

首先以普通的化學氣相沉積法(CVD)在銅(Cu)箔上形成石墨烯。接着轉印到矽基闆上。這時,通過蝕刻去除Cu箔。

然後,在該矽基闆上的石墨烯上,以RF-MBE(Radio-Frequency Molecular Beam Epitaxy,射頻等離子體輔助分子束外延)法使GaN結晶生長。據Graphenea公司介紹,該RF-MBE法是立命館大學提供的技術,對具備高結晶性的GaN結晶生長起到了重要作用。

利用掃描型電子顯示鏡(SEM)及高分辨率X線衍射技術檢測生長出的GaN時,顯示GaN結晶具備6角形對稱稱,是沿c軸方向生長的。另外,粒徑要比無石墨烯時大。與藍寶石基闆上生長的GaN結晶相比,盡管還存在配向均一性問題,但從矽(100)面上生長的GaN結晶來看,實現了最高品質。

順便提一句,東京大學藤岡洋的研究室也宣布在石墨烯上生長出了GaN結晶(參閱本站報道1、2)。但藤岡等并不是矽上,而是在玻璃上形成GaN結晶的。而且,使用的也不是RF-MBE法,而是濺射法。

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