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2月21日，光州科學技術院（GIST，校長Kichul Lim）宣布，學校電氣工程與計算機科學學院的Dong-Seon Lee教授的研究團隊已經開發(fā)出了僅采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）的氮化鎵（GaN）半導體遠程同質外延技術。

外延技術，即在半導體制造中將半導體材料生長成對齊良好的薄膜，對于半導體制造至關重要。使用外延技術進行的GaN遠程同質外延在GaN芯片上形成了二維材料?？梢栽谛酒仙L出與芯片質量相同的GaN半導體，并容易地移除，從而實現(xiàn)使用單個GaN芯片連續(xù)生產GaN半導體。

得益于其高速開關、低損耗和高效率的特性，GaN半導體作為下一代電動汽車的功率半導體材料備受關注，并預計其將在工業(yè)中得廣泛到應用。

但由于技術限制，傳統(tǒng)的外延需要大約1000倍于1毫米厚的芯片才能實現(xiàn)約1微米厚度的實際半導體材料效果。

因此，在2017年，麻省理工學院的Jihwan Kim教授的研究團隊提出了一種“遠程外延”技術，該技術通過使用分子束外延方法克服了現(xiàn)有困難，引起了廣泛關注。

Jihwan Kim教授團隊提出的“遠程外延”技術是一種獨特的方法，它在芯片上形成類似石墨烯的非常薄的二維材料，并在其上生長半導體材料。

▲ 通過鎳應力器進行剝離的實驗示意圖和樣品圖像。在GaN生長之前，測試了芯片上形成的二維材料的穩(wěn)定性，然后進行了GaN生長。在生長的GaN表面沉積鎳，并使用熱釋放膠帶剝離。

該技術不僅可以獲得以薄膜形式“復制”芯片特性的高質量半導體材料，而且可以將其從芯片上“剝離”，理論上使其可以無限重用。

這項技術利用了芯片表面電學性質穿透石墨烯膜的原理。由于半導體材料不是直接與芯片通過二維材料粘合，因此只有半導體材料可以剝離。

特別是，廣泛應用于LED顯示器和電動汽車充電設備的GaN半導體，需要GaN芯片以實現(xiàn)最高效率，但由于其價格約為藍寶石芯片的100倍，因此一直使用結晶質量只有1/1000水平的藍寶石芯片。因此，能夠重用昂貴GaN芯片的遠程外延技術受到了極大的關注。

到目前為止，已知GaN遠程外延技術只能通過同時使用分子束外延和金屬有機化學氣相沉積方法來實現(xiàn)。這是因為當僅將“金屬有機化學氣相沉積方法”應用于遠程同質外延技術時，GaN芯片表面在高溫生長條件下分解，二維材料插入層受損。

針對這個問題，Dong-Seon Lee教授的團隊僅采用了在工業(yè)中廣泛使用的“金屬有機化學氣相沉積”方法。通過在GaN芯片上生長一個低溫GaN緩沖層，在其上形成二維材料，首次實現(xiàn)了可以完全覆蓋和保護二維材料的GaN遠程同質外延技術，從而生長并剝離GaN半導體。

 ▲ 精確分析以確認遠程同質外延。使用透射電子顯微鏡，他們在原子尺度上確認了GaN芯片、石墨烯和生長的GaN之間的外延關系，并驗證了生長后石墨烯仍然存在。

Dong-Seon Lee教授說：“這項研究實現(xiàn)了之前被認為是不可能的‘GaN遠程同質外延’技術。雖然它仍處于早期階段，但我們希望依托這項技術，引領未來基于此技術的微LED和下一代GaN功率半導體市場，并將其應用于未來顯示器上?！?/p>

這項由Dong-Seon Lee教授領導，由博士生Hoe-Min Kwak進行的研究，得到了韓國能源技術研究院的Sang Ho Oh教授研究團隊的支持，以及韓國國家研究基金會在科學和信息通信技術部下的納米材料技術開發(fā)項目和個人研究項目（中級研究）的支持，于2023年12月12日在線發(fā)表在材料科學和化學領域著名的國際期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。