在集成电路精度要求日益提升的今天，传统半导体材料的加工与制备工艺逐渐不能满足晶体管尺寸的要求。二维半导体材料的层状维度特性和优异的光电性能使其在未来微纳电子领域有着广阔的应用前景。二维材料的制备和转移技术进而成为基础科研中的重点。外延生长作为半导体工业中晶体制备的重要技术，却经常受到基体与外延层间晶格错配的限制。因此，对外延生长的研究和探索仍在进行。

【成果简介】

  近日，麻省理工学院 (MIT) 的Jeehwan Kim (通讯作者) 等人在Nature 杂志上发表了一篇题为“Remote epitaxy through graphene enables two-dimensional material-based layer transfer”的文章。该文章报道了在石墨烯夹层存在下，仍可实现在GaAs基底上同质外延生长GaAs层的工作。通过密度泛函理论计算发现在一定距离内，两GaAs晶面间隙中仍存在电子分布。且实验结果表明，石墨烯较弱的范德华势不能完全屏蔽基底和外延层间的相互作用，从而实现了在单层石墨烯夹层存在下远距离同质外延生长GaAs，InP和GaP。该方法生长的GaAs等材料为高质量单晶，且石墨烯夹层的存在使外延层可以快速完整的从基底剥离。用该方法制备的AlGaInP-GaInP 双异质结LEDs的性能也可与直接在GaAs基底上外延生长制备的LEDs相匹敌。

【图文导读】

图1. 不同层数石墨烯夹层下基底与外延层间相互作用

(a). 两GaAs材料As-Ga表面间的电荷密度随间隙距离变化的DFT计算结果，曲线显示As-Ga表面间距在9Ǻ范围内间隙内存在连续电荷分布。

(b). 两GaAs材料As-As表面间的电荷密度随间隙距离变化的DFT计算结果，曲线显示As-As表面间距在9Ǻ范围内间隙内存在连续电荷分布。

(c). 在单层石墨烯-GaAs (001)基底上远距离外延生长的GaAs的EBSD照片，显示外延生长GaAs为 (001) 取向单晶。

(d-e). 在双层石墨烯-GaAs(001)基底和四层石墨烯-GaAs(001)基底上远距离外延生长GaAs的EBSD照片，显示双层和四层石墨烯存在下外延生长GaAs为多晶，主要晶粒取向为(111)方向。

图2. 单层石墨烯-GaAs(001) 基底上GaAs外延层物相与结构表征

(a). 剥离GaAs外延层的大范围EBSD照片。

(b). 剥离GaAs外延层的高分辨XRD φ-scan图谱，结果显示GaAs外延层为闪锌矿结构单晶，不存在面内方位角扭转。

(c). 在未经H₂退火的单层石墨烯-GaAs基底上生长的GaAs层的EBSD照片，显示外延GaAs层为多晶相。

(d). 基底与外延层截面高分辨像，显示GaAs外延层与GaAs(001) 基底越过单层石墨烯晶格相对应，各自的汇聚束电子衍射谱显示外延层与基底具有统一的闪锌矿型(001)晶相。

(e). 低角环形暗场STEM显示外延层在测试区域内不存在缺陷。

图3. 在单层石墨烯-GaAs基底上制备的AlGaInP-GaInP 双异质结LEDs

(a). 双异质结LEDs截面的SEM照片。

(b). 在石墨烯-GaAs和GaAs基底上生长的LEDs的I-V曲线。

(c). 在石墨烯-GaAs和GaAs基底上生长的LEDs的电致发光光谱，插图为工作中LEDs照片。显示出远距离外延生长材料且经转移后仍具有很好的晶体质量。

图4. 在石墨烯-III-V(001)基底上远距离外延生长制备的III-V(001)单晶

(a, d, g). GaAs；(b, e, h). InP；(c, f, i). GaP

(a-c). 从石墨烯-III-V(001)基底上剥离下的单晶GaAs(001)，InP(001)和GaP(001)外延层照片，左上角插图为高分辨XRD和EBSD样品的制备过程示意图。

(d-f). GaAs(001)，InP(001)和GaP(001)外延层的高分辨XRD ω-2ɵ扫描。

(g-i). GaAs(001)，InP(001)和GaP(001)外延层的大范围EBSD照片。

【小结】

  III-V基底材料的电势可渗透过与其紧密接触的单层石墨烯，因此在石墨烯夹层存在下，基底与外延层之间的相互作用使远距离外延成为可能。而石墨烯夹层的存在使外延层很容易完整地从基底上剥离下来，通过该技术，可以实现各种光电材料的高质量生长，转移和堆叠而无需考虑晶格错配的限制。该技术也为不同材料的异质集成打开了新的途径且节约昂贵稀缺基底。