麻省理工学院机械工程系Kuan Qiao等--化硅上的石墨烯缓冲层作为高质量半导体自支撑膜的释放层
由于异种材料非均相集成的最新发展，独立结晶膜是非常理想的。范德瓦尔斯（vdW）外延可以使晶体膜从基底上释放出来。然而，由于低表面能而抑制成核密度一直是结晶的挑战；反应材料合成环境会对vdW表面造成有害损伤，通常会导致膜释放失效。本工作展示了一种基于石墨化SiC的新型平台，用于制备高质量的自支撑膜。在机械移除石墨化SiC晶片上的外延石墨烯后，准二维石墨烯缓冲层（GBL）表面保持完整，以便外延生长。外延层和衬底之间的vdW间隙减小，增强了外延相互作用，促进了远程外延。在GBL上实现了GaN成核和收敛质量的显著改善，从而在二维材料上获得了迄今为止生长最优质的GaN。GBL表面表现出优异的抗恶劣生长环境的能力，可通过反复生长和剥落实现基质再利用。
图1. 石墨烯晶种能力。在石墨烯上生长转移到SiO2/Si上的GaN的(a)原理图、(b)扫描电子显微镜(SEM)图像和(c)电子背散射衍射(EBSD)图。用单层EG在石墨化SiC衬底上生长GaN的(d)原理图、(e)SEM图像和(f)EBSD图。用三层EG在石墨化SiC衬底上生长GaN的(g)原理图、(h)SEM图像和(i)EBSD图。
图2. 场穿透的密度泛函理论(DFT)计算。(a)模拟了SiC上缓冲层的原子结构，(b)GBL上的电位波动(meV)图，以及(c)GBL上水平方向的电位波动。(d)模拟石墨化SiC的原子结构。(e)EG上的电位波动(meV)图。(f) EG上水平方向的电位波动。
图3. GBL基底的制作。(a)EG剥离过程示意图。(b)去除EG前(蓝色)后(黑色)的石墨化SiC的拉曼光谱。(c)EG的X射线光电子能谱(XPS)C 1S谱。(d)去除EG后GBL的X射线光电子能谱(XPS)C 1S谱。
图4. 在EG和GBL基底上生长的GaN。(a)在EG上生长的GaN成核的SEM图像。(b)在GBL上生长的GaN的SEM图像。(c)在GBL上生长的GaN表面的原子力显微镜(AFM)图像。RMS粗糙度为0.18 nm。(d)生长在GBL衬底上的GaN的电子通道衬度成像(ECCI)图像，显示GaN的总穿线位错密度为2.1×107cm-2。(e)GaN(002)在GBL和EG基底上的高分辨X射线衍射(HRXRD)摇摆曲线。(f)GaN(105)在GBL和EG上的HRXRD摇摆曲线。(g)在GBL上生长的GaN的HRXRD ϕ-扫描。(h)在一个柔性基底(热释放带)上的剥离GBL薄膜上GaN的照片。(i)GaN外延层剥离后GBL基底的C 1s XPS谱，插图是其拉曼光谱。(j)GaN外延层剥离后GBL基底的AFM图像。(k)1100°C时H2处理前后SiC上转移石墨烯的拉曼光谱。(l)三次重复使用的GBL基底和剥离的GaN外延层的照片。
图5. 在GBL基底上生长的ZnO。O2等离子体处理前(a)后(b)GBL的XPS C 1s谱。(c)O2等离子体处理10min前后SiC上EG的拉曼光谱。(d) AFM扫描沉积在GBL基底上的原生ZnO的表面。(e)外延ZnO的XRD 2θ-ω扫描显示单一的外平面排列。(f) XRD -ϕ扫描外延ZnO显示单一的内平面排列。(g)外延ZnO的ω-扫描摇摆曲线显示出105 arcsec 的半高全宽。(h)在一个柔性基底(热释放带)上释放的ZnO薄膜的照片。(i)GBL基底释放表面的AFM图像，RMS粗糙度为0.4 nm。
相关研究成果由麻省理工学院机械工程系Kuan Qiao等人于2021年发表在Nano Letters (https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00673)上。原文：Graphene Buffer Layer on SiC as a Release Layer for High-Quality Freestanding Semiconductor Membranes。