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2月21日，光州科學(xué)技術(shù)院（GIST，校長(zhǎng)Kichul Lim）宣布，學(xué)校電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院的Dong-Seon Lee教授的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出了僅采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）的氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體遠(yuǎn)程同質(zhì)外延技術(shù)。

外延技術(shù)，即在半導(dǎo)體制造中將半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)成對(duì)齊良好的薄膜，對(duì)于半導(dǎo)體制造至關(guān)重要。使用外延技術(shù)進(jìn)行的GaN遠(yuǎn)程同質(zhì)外延在GaN芯片上形成了二維材料。可以在芯片上生長(zhǎng)出與芯片質(zhì)量相同的GaN半導(dǎo)體，并容易地移除，從而實(shí)現(xiàn)使用單個(gè)GaN芯片連續(xù)生產(chǎn)GaN半導(dǎo)體。

得益于其高速開關(guān)、低損耗和高效率的特性，GaN半導(dǎo)體作為下一代電動(dòng)汽車的功率半導(dǎo)體材料備受關(guān)注，并預(yù)計(jì)其將在工業(yè)中得廣泛到應(yīng)用。

但由于技術(shù)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(shí)現(xiàn)約1微米厚度的實(shí)際半導(dǎo)體材料效果。

因此，在2017年，麻省理工學(xué)院的Jihwan Kim教授的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種“遠(yuǎn)程外延”技術(shù)，該技術(shù)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(guān)注。

Jihwan Kim教授團(tuán)隊(duì)提出的“遠(yuǎn)程外延”技術(shù)是一種獨(dú)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(zhǎng)半導(dǎo)體材料。

▲ 通過鎳應(yīng)力器進(jìn)行剝離的實(shí)驗(yàn)示意圖和樣品圖像。在GaN生長(zhǎng)之前，測(cè)試了芯片上形成的二維材料的穩(wěn)定性，然后進(jìn)行了GaN生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)的GaN表面沉積鎳，并使用熱釋放膠帶剝離。

該技術(shù)不僅可以獲得以薄膜形式“復(fù)制”芯片特性的高質(zhì)量半導(dǎo)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(xiàng)技術(shù)利用了芯片表面電學(xué)性質(zhì)穿透石墨烯膜的原理。由于半導(dǎo)體材料不是直接與芯片通過二維材料粘合，因此只有半導(dǎo)體材料可以剝離。

特別是，廣泛應(yīng)用于LED顯示器和電動(dòng)汽車充電設(shè)備的GaN半導(dǎo)體，需要GaN芯片以實(shí)現(xiàn)最高效率，但由于其價(jià)格約為藍(lán)寶石芯片的100倍，因此一直使用結(jié)晶質(zhì)量只有1/1000水平的藍(lán)寶石芯片。因此，能夠重用昂貴GaN芯片的遠(yuǎn)程外延技術(shù)受到了極大的關(guān)注。

到目前為止，已知GaN遠(yuǎn)程外延技術(shù)只能通過同時(shí)使用分子束外延和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法來實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)楫?dāng)僅將“金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法”應(yīng)用于遠(yuǎn)程同質(zhì)外延技術(shù)時(shí)，GaN芯片表面在高溫生長(zhǎng)條件下分解，二維材料插入層受損。

針對(duì)這個(gè)問題，Dong-Seon Lee教授的團(tuán)隊(duì)僅采用了在工業(yè)中廣泛使用的“金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積”方法。通過在GaN芯片上生長(zhǎng)一個(gè)低溫GaN緩沖層，在其上形成二維材料，首次實(shí)現(xiàn)了可以完全覆蓋和保護(hù)二維材料的GaN遠(yuǎn)程同質(zhì)外延技術(shù)，從而生長(zhǎng)并剝離GaN半導(dǎo)體。

 ▲ 精確分析以確認(rèn)遠(yuǎn)程同質(zhì)外延。使用透射電子顯微鏡，他們?cè)谠映叨壬洗_認(rèn)了GaN芯片、石墨烯和生長(zhǎng)的GaN之間的外延關(guān)系，并驗(yàn)證了生長(zhǎng)后石墨烯仍然存在。

Dong-Seon Lee教授說：“這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了之前被認(rèn)為是不可能的‘GaN遠(yuǎn)程同質(zhì)外延’技術(shù)。雖然它仍處于早期階段，但我們希望依托這項(xiàng)技術(shù)，引領(lǐng)未來基于此技術(shù)的微LED和下一代GaN功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，并將其應(yīng)用于未來顯示器上。”

這項(xiàng)由Dong-Seon Lee教授領(lǐng)導(dǎo)，由博士生Hoe-Min Kwak進(jìn)行的研究，得到了韓國(guó)能源技術(shù)研究院的Sang Ho Oh教授研究團(tuán)隊(duì)的支持，以及韓國(guó)國(guó)家研究基金會(huì)在科學(xué)和信息通信技術(shù)部下的納米材料技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目和個(gè)人研究項(xiàng)目（中級(jí)研究）的支持，于2023年12月12日在線發(fā)表在材料科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域著名的國(guó)際期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。