我国科技工作者在二维材料上实现了4英寸可剥离的单晶GaN层异质外延
近日，由武大与西电开展联合攻关，在高质量氮化物异构集成领域取得突破性进展，相关成果2025年7月6日以“Van der Waals integration of 4-inch single-crystalline III-nitride semiconductors”为题在线发表于国际顶尖期刊《Advanced Materials》，该研究由武汉大学何军教授团队与西安电子科技大学郝跃院士团队合作完成，武汉大学文耀副研究员与西安电子科技大学宁静教授与为论文共同第一作者，何军教授、张进成教授为论文共同通讯作者。
面型新一代高性能氮化物宽禁带半导体器件与异构集成电路发展的需要，通过二维材料异质外延III氮化物半导体，借助范德华界面能够实现应变弛豫、位错密度降低和无损异质集成，传统方法在二维材料上外延III族氮化物时，二维材料的有限润湿性和弱界面相互作用使得在晶圆尺度上实现III族氮化物半导体的有序晶体取向构成了重大挑战。
本研究创新性地提出了一种范德华极化工程异质集成方法（polarization-engineered vdW integration strategy），通过精准调控外延衬底的电子极化特性，通过二维材料的缺陷和通孔将促进准范德华外延生长形成可以与外延产物结合的不饱和悬挂键，清晰的阐述了在二维材料上范德华外延III族氮化物半导体的关键核心机理，实现了III族氮化物半导体和衬底之间的电荷转移。
在二维材料上实现了4英寸可剥离的单晶GaN层异质外延，并且当外延层厚度减小到400 nm时，位错密度低至3.49×108 cm-2，基于该技术制备的GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）展示出2080.7 cm2 V-1 s-1的超高迁移率，高电子迁移率晶体管（HEMT）展示出790 mA/mm的高饱和电流密度和1.11×10 mA/mm的低截止电流。
据悉，该突破性成果为氮化物半导体的范德华异质集成提供了全新的理论认知，解决了氮化物宽禁带半导体范德华外延的关键难题，实现了高质量超薄氮化物异质结构材料，为高性能宽禁带半导体器件的跨材料、跨功能的大面积异构集成扫清了关键障碍。
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