在最近一篇研究论文中，Graphenea公司展示了使用石墨烯作为中间层生长硅衬底氮化镓设备。

由元素周期表第三族元素和氮(III-nitride半导体)制备的半导体，如氮化铟(lnN)、氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)，表现出奇异的特性，在很多应用中令人感兴趣(如高频和高功率晶体管、激光二极管和发光二极管)。

应用物理通讯，是日本应用物理协会和IOP的出版物，专题报道了这项研究成果，研究由Ritsumeikan大学(日本)、麻省理工学院(美国)、Dongguk大学和首尔国立大学(韩国)的研究人员进行合作开展。

硅为衬底

各种材料已被尝试实验用作III-氮化物半导体外延生长的基体。然而，硅(Si)是一种丰富可用的材料，具有许多吸引人的性能，比如低价高质量、可控电导率和易于制备大型衬底。

氮化镓C轴(0001)晶面是迄今为止最成功的。各种氮化镓基设备，如场效应晶体管(FETs)和硅基的LEDs已被制成并投入到商业化使用中。在这些设备中，Si衬底具有(111)晶体取向，而不是在技术上更成熟的并使用在大多数电子设备的Si(100)晶面结构。

在Si(100)晶面衬底生长氮化镓薄膜是至关重要的，能使高科技氮化镓基电子和光电设备商业化。然而，高质量外延生长氮化镓薄膜在Si(100)晶面是很困难的，因为立方Si(100)晶面和六方GaN(0001)晶面存在不同的对称性。

硅衬底氮化镓设备制造

在Graphenea的论文中所描述的研究工作提到，当两种结构机械压合在一起时，硅衬底氮化镓晶体管被成功地制备。研究人员演示了使用石墨烯作为中间层在Si(100)晶面外延生长GaN(0001)晶面。

因为石墨烯的六方晶格与GaN具有相同的对称性，GaN分子自然地按照石墨烯结构生长。同时，将石墨烯转移到硅晶片上。在目前为止不同的实验室研究中，研究者们发现通过他们的方法，所获得的在Si(100)晶面生长的GaN(0001)晶面是最好的。

这个方法涉及到在铜上化学气相沉积石墨烯，然后当铜被侵蚀掉后，将石墨烯转移到硅衬底，再使用Graphenea公司有著名的转移技术，射频分子束外延生长(RF-MBE)方法，用于直接在石墨烯上生长氮化镓。

该方法在外延室使用了一种高功率射频波诱导气体分子反应，以良好的控制方式使分子薄膜在衬底上精细沉积。在这里，GaN薄膜被沉积在石墨烯衬底上。

反射高能电子衍射分析用于原位观察生长的氮化镓结构。高分辨率X射线衍射分析和扫描电子显微镜用于研究生长之后的薄膜，实现了六方对称的GaN和C轴生长(图1)。此外，生长的薄膜比无石墨烯时在Si(100)晶面生长的氮化镓具有更大的晶粒尺寸。

图1.石墨烯/Si(100)晶面生长GaN的扫描电子显微镜图像

虽然Graphenea公司的方法在取向一致性方面不如在蓝宝石上生长的氮化镓，但它是迄今为止制备的最高质量的Si(100)晶面衬底氮化镓薄膜。

结论

在透射电子显微镜(TEM)的研究中，研究人员发现所制备的氮化镓晶体结构存在缺陷，存在于最初接触石墨烯10 nm的位置。研究继续开展，为获得更高质量的和减少缺陷的GaN。

新材料在线编译整理——翻译：Grubby      校正：摩天轮