近日，西安电子科技大学集成电路学部郝跃教授团队张进成教授、宁静教授联合武汉大学何军教授团队在宽禁带半导体材料领域取得突破性进展，开发了一种范德华极化工程异质集成方法（PEVIS），相关成果以《Van der Waals integration of 4-inch single-crystalline III-nitride semiconductors》为题，发表于材料科学顶级期刊《Advanced Materials》（中国科学院I区TOP期刊，IF=26.8），集成电路学部张进成教授为论文通讯作者，宁静教授为共同第一作者，博士研究生武海迪为学生第一作者。

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），利用III族氮化物中Al面的极性与二维材料之间的偶极矩关系进行调控，在外延衬底中设计稳健的电子极化增强界面的静电势、电荷相互作用和结合能，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。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，实现了III族氮化物半导体和衬底之间的电荷转移，并且当外延层厚度减小到400 nm时，位错密度低至3.49×108cm-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 cm2V-1s-1的超高迁移率和790 mA/mm的饱和电流密度，同时将截止态漏电流控制到1.11×10⁻⁶ mA/mm的先进水平。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。

面型新一代高性能射频器件应用需求，宽禁带半导体氮化物大功率射频器件在5G通信、雷达探测等领域展现出巨大应用前景，然而材料缺陷抑制和界面热管理问题始终是制约其产业化进程的关键瓶颈。为此，研究团队长期专注于大尺寸、低缺陷氮化物外延生长与大功率射频器件制备技术研究，成功开发出多种高性能氮化镓异质结外延工艺和器件集成方案。该成果是团队张进成教授、宁静教授近期在氮化物材料缺陷调控与新型异质结构筑这一基础研究领域取得的重要突破。该技术创新性地采用基于极化工程的范德华界面调控策略，通过电子极化物性研究和生长动力学优化，为低缺陷氮化物材料生长提供了新方法，同时也为高可靠、大功率射频器件设计制造奠定了新的理论基础与技术路径，不仅有助于推进我国新一代通信基站核心器件的自主可控，更为实现极端电子学领域的关键元器件制备提供了技术保障。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等科研项目的资助。

图1  基于石墨烯插层的范德华外延氮化镓外延材料

图2  范德华外延与传统异质外延氮化物外延材料与HEMT器件比较

文章信息：Yao Wen, Jing Ning, Haidi Wu, Haoran Zhang, Ruiqing Cheng, Lei Yin, Hao Wang, Xiaolin Zhang, Yong Liu, Dong Wang, Yue Hao, Jincheng Zhang*, Jun He*，Van der Waals integration of 4-inch single-crystalline III-nitride semiconductors, Adv. Mater. 2025, 2501916, http://doi.org/10.1002/adma.202501916