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2月21日，光州科学技术院（GIST，校长Kichul Lim）宣布，学校电气工程与计算机科学学院的Dong-Seon Lee教授的研究团队已经开发出了仅采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）的氮化镓（GaN）半导体远程同质外延技术。 外延技术，即在半导体制造中将半导体材料生长成对齐良好的薄膜，对于半导体制造至关重要。使用外延技术进行的GaN远程同质外延在GaN芯片上形成了二维材料。可以在芯片上生长出与芯片质量相同的GaN半导体，并容易地移除，从而实现使用单个GaN芯片连续生产GaN半导体。 得益于其高速开关、低损耗和高效率的特性，GaN半导体作为下一代电动汽车的功率半导体材料备受关注，并预计其将在工业中得广泛到应用。 但由于技术限制，传统的外延需要大约1000倍于1毫米厚的芯片才能实现约1微米厚度的实际半导体材料效果。 因此，在2017年，麻省理工学院的Jihwan Kim教授的研究团队提出了一种“远程外延”技术，该技术通过使用分子束外延方法克服了现有困难，引起了广泛关注。 Jihwan Kim教授团队提出的“远程外延”技术是一种独特的方法，它在芯片上形成类似石墨烯的非常薄的二维材料，并在其上生长半导体材料。 ![]()
▲ 通过镍应力器进行剥离的实验示意图和样品图像。在GaN生长之前，测试了芯片上形成的二维材料的稳定性，然后进行了GaN生长。在生长的GaN表面沉积镍，并使用热释放胶带剥离。
该技术不仅可以获得以薄膜形式“复制”芯片特性的高质量半导体材料，而且可以将其从芯片上“剥离”，理论上使其可以无限重用。 这项技术利用了芯片表面电学性质穿透石墨烯膜的原理。由于半导体材料不是直接与芯片通过二维材料粘合，因此只有半导体材料可以剥离。 特别是，广泛应用于LED显示器和电动汽车充电设备的GaN半导体，需要GaN芯片以实现最高效率，但由于其价格约为蓝宝石芯片的100倍，因此一直使用结晶质量只有1/1000水平的蓝宝石芯片。因此，能够重用昂贵GaN芯片的远程外延技术受到了极大的关注。 到目前为止，已知GaN远程外延技术只能通过同时使用分子束外延和金属有机化学气相沉积方法来实现。这是因为当仅将“金属有机化学气相沉积方法”应用于远程同质外延技术时，GaN芯片表面在高温生长条件下分解，二维材料插入层受损。 针对这个问题，Dong-Seon Lee教授的团队仅采用了在工业中广泛使用的“金属有机化学气相沉积”方法。通过在GaN芯片上生长一个低温GaN缓冲层，在其上形成二维材料，首次实现了可以完全覆盖和保护二维材料的GaN远程同质外延技术，从而生长并剥离GaN半导体。 ![]()
▲ 精确分析以确认远程同质外延。使用透射电子显微镜，他们在原子尺度上确认了GaN芯片、石墨烯和生长的GaN之间的外延关系，并验证了生长后石墨烯仍然存在。
Dong-Seon Lee教授说：“这项研究实现了之前被认为是不可能的‘GaN远程同质外延’技术。虽然它仍处于早期阶段，但我们希望依托这项技术，引领未来基于此技术的微LED和下一代GaN功率半导体市场，并将其应用于未来显示器上。” 这项由Dong-Seon Lee教授领导，由博士生Hoe-Min Kwak进行的研究，得到了韩国能源技术研究院的Sang Ho Oh教授研究团队的支持，以及韩国国家研究基金会在科学和信息通信技术部下的纳米材料技术开发项目和个人研究项目（中级研究）的支持，于2023年12月12日在线发表在材料科学和化学领域著名的国际期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。
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