以石墨烯實現GaN在硅(100)面上的生長，立命館大學及MIT等開發

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西班牙Graphenea公司2014年7月25日宣布，與日本立命館大學等共同實現了GaN結晶在硅（100）面上的生長。其要點在於用石墨烯作為中間層。該技術是日本立命館大學理工學部電子光信息工學科荒木努和名西Yasushi的研究室、美國麻省理工學院（MIT）、韓國首爾大學（Seoul National University）、韓國東國大學（Dongguk University）及西班牙Graphenea公司開發的。

以石墨烯為中間層在硅（100）面上形成的GaN結晶。SEM圖像。（照片由Graphenea公司提供）

在硅（100）面上直接生長缺陷少的GaN結晶時非常困難，幾乎沒有成功先例。以前在GaN-on-Si技術實用化方面取得進展的，主要是在硅（111）面上生長GaN結晶的技術。GaN-on-Si技術的一大優勢是能夠沿用已有的硅半導體制造裝置，但大部分的半導體制造裝置均以硅（100）面為對象，從硅（111）面上的GaN-on-Si技術來看，其沿用范圍有限。

在此情況下，出現了在Si（100）面上形成中間層后，成功實現GaN結晶生長的案例。名古屋大學就是其中之一，該大學研究生院工學系研究科教授天野浩的研究室通過在硅（100）面上形成“某種金屬層”，然后再在該金屬層上成功實現了GaN結晶的生長。

此次Graphenea公司等在硅（100）面上首先形成石墨烯，然后在石墨烯上實現（0001）面的GaN結晶生長。詳細步驟如下。

首先以普通的化學氣相沉積法（CVD）在銅（Cu）箔上形成石墨烯。接著轉印到硅基板上。這時，通過蝕刻去除Cu箔。

然后，在該硅基板上的石墨烯上，以RF-MBE（Radio-Frequency Molecular Beam Epitaxy,射頻等離子體輔助分子束外延）法使GaN結晶生長。據Graphenea公司介紹，該RF-MBE法是立命館大學提供的技術，對具備高結晶性的GaN結晶生長起到了重要作用。

利用掃描型電子顯示鏡（SEM）及高分辨率X線衍射技術檢測生長出的GaN時，顯示GaN結晶具備6角形對稱稱，是沿c軸方向生長的。另外，粒徑要比無石墨烯時大。與藍寶石基板上生長的GaN結晶相比，盡管還存在配向均一性問題，但從硅（100）面上生長的GaN結晶來看，實現了最高品質。

順便提一句，東京大學藤岡洋的研究室也宣布在石墨烯上生長出了GaN結晶。但藤岡等並不是硅上，而是在玻璃上形成GaN結晶的。而且，使用的也不是RF-MBE法，而是濺射法。（作者：野澤 哲生，日經技術在線！供稿）