Polarization‐Driven‐Orientation Selective Growth of Single‐Crystalline III‐Nitride Semiconductors on Arbitrary Substrates

材料科学 外延 半导体 光电子学 微晶 氮化物 无定形固体 化学气相沉积 氮化镓 纳米技术 结晶学 图层(电子) 冶金 化学
作者
Danshuo Liu,Lin Hu,Xuelin Yang,Zhihong Zhang,Haodong Yu,Fawei Zheng,Yuxia Feng,Jiaqi Wei,Zidong Cai,Zhenghao Chen,Cheng Ma,Fujun Xu,Xinqiang Wang,Weikun Ge,Kaihui Liu,Bing Huang,Bo Shen
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (14) 被引量:9
标识
DOI:10.1002/adfm.202113211
摘要

Abstract III‐nitride semiconductor films are usually achieved by epitaxial growth on single‐crystalline substrates (sapphire, silicon (Si), and silicon carbide). It is important to grow these films on non‐epitaxial substrates of interest such as polycrystalline substrates for exploring novel applications in electronics and optoelectronics. However, single‐crystalline III‐nitride films with uniform orientation on non‐epitaxial substrates have not yet been realized, due to the lack of crystallographic orientation of the substrates. Here, this work proposes a strategy of polarization‐driven‐orientation selective growth (OSG) and demonstrate that single‐crystalline gallium nitride (GaN) can in principle be achieved on any substrates. Taking polycrystalline diamond and amorphous‐silicon dioxide/Si substrates as typical examples, the OSG is demonstrated by utilizing a composed buffer layer consisting of graphene and polycrystalline physical vapor deposited (PVD) aluminium nitride (AlN). The polarization of the PVD AlN can effectively tune the strength of interfacial orbital coupling between AlN nuclei and graphene at different rotation angles, as confirmed by atom‐scale first‐principles calculations, and align the AlN nuclei to form a uniform orientation. This consequently leads to continuous single‐crystalline GaN films. The ability to grow single‐crystalline III‐nitrides onto any desired substrates would create unprecedented opportunities for developing novel electronic and optoelectronic devices.
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