7月23日，Science Advances在线发表了题为Two dimensional buffer breaks substrate limit in III nitrides epitaxy的研究论文，我院邢琨副教授为第一通讯作者，其后依次为南京大学庄喆副教授、张荣教授，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）Husam N. Alshareef 教授，以及南京大学刘斌教授。其中，邢琨副教授主导完成III族氮化物的MOVPE外延生长，并与团队共同完成AFM、XRD等关键表征工作，同时在器件制备与资源保障等方面发挥核心作用。

打破“单晶衬底”限制的关键突破

长期以来，外延生长要求衬底与外延层建立严格的单晶外延关系，这使得在非单晶、特别是非晶衬底上获得高质量单晶薄膜几乎不可行。本工作首次通过“化学键转换”策略，将多层MoS₂二维缓冲层转化为具有共价键的超薄MoN层，进而在非晶SiO₂上实现晶圆级、与传统单晶衬底相当质量的单晶GaN外延，从根本上突破了III族氮化物外延对单晶衬底的长期依赖。

论文提出先在MoS₂上进行键型转变，将范德华键转为MoN的共价键表面，构筑出类似传统单晶衬底的“有悬挂键”的外延界面，从而在成核阶段锁定一致的面内取向，为随后高质量GaN单晶外延提供基础。DFT计算显示，AlN在MoN上优选N极性成核（总能量−90.37 eV），相较Al极性（−87.38 eV）更稳定；AlN/MoN的界面间距仅1.86 Å，结合能显著高于在MoS₂、石墨烯和hBN等二维缓冲层上的情况，体现出强共价相互作用；同时，其面内取向能垒高达169 meV/原胞，约为在MoS₂上的2.7倍，保证了成核取向的一致性。

晶圆级单晶外延与结构表征

研究在2英寸非晶SiO₂衬底上获得了高质量单晶GaN。XRD rocking curve显示 (002)/(102) 峰 FWHM分别为0.19°/0.32°；在重复15次MOVPE实验中，(002)/(102) 平均 FWHM仍仅0.23°/0.38°，表明结果高度可重复。表面原子台阶清晰，AFM测得RMS粗糙度约0.168 nm；位错密度约2.2×10⁸ cm⁻²，达到传统单晶衬底GaN薄膜的水平。

作者进一步证实，MoN缓冲层完整继承了MoS₂的六方晶格取向，厚度约6.6 nm；AlN 成核层与MoN在面内无旋转关系，AlN(002)/(100) 分别与MoN(002)/(200) 平行，二者面内失配约8%，小于AlN与蓝宝石或 Si(111) 的失配，有利于高质量外延。同时在AlN/MoN界面处观测到极性反转，与约15%的氧元素渗入相关。

首次在非晶衬底上直写高性能GaN基HEMT

在获得高质量GaN之后，团队在非晶SiO₂上外延AlGaN/AlN/GaN异质结构，并在界面形成高质量二维电子气（2DEG）。室温霍尔迁移率达到2240 cm²·V⁻¹·s⁻¹，在5 K提升至13,355 cm²·V⁻¹·s⁻¹，超过多数传统单晶衬底生长的同类结构。器件层面，所制备Dmode HEMT的阈值电压约−2.8 V，亚阈值摆幅83 mV/dec，开关比>10⁹，@VGS=5 V的饱和电流约182 mA·mm⁻¹；对200个器件统计显示，SS的变异系数为10.6%、Vth变异系数8.8%，表现出优异的一致性。这是国际上在非晶衬底上通过直接外延实现高性能GaN基HEMT的重要进展。

图1. MoN 与其他缓冲层在AlN外延中的对比。（a）在非晶SiO₂上采用MoS₂缓冲层时的成核/外延示意，蓝色虚线箭头表示晶核随机面内取向；（b）采用 MoN 缓冲层时的成核/外延示意，蓝色实线箭头表示单向面内取向；（c）在固定AlN团簇尺寸下，N极性AlN在MoN、MoS₂、石墨烯（Gra）与 hBN的结合能；（d–e）AlN/MoS₂ 与 AlN/MoN 异质结构的电荷密度差分布（红为正、绿为负，等值面 0.006 e bohr⁻³）；（f）AlN团簇在两种缓冲层上面内取向角 0°–120°（步长 15°）的总能量差，0° 为参照；（g–h）在MoS₂与MoN上生长的GaN的面外（上）与面内（下）EBSD IPF图。

图2. MoN 缓冲层与 AlN 成核层的外延关系。（a–c）MoS₂、MoN与AlN的2θ/ω扫描，内插图为对应MoS₂(101)、MoN(202)、AlN(102) 晶面的面内XRD φ 扫描（a.u. 为任意单位）；（d）2英寸SiO₂衬底上AlN/MoN模板照片；（e）AlN/MoN 界面的 HAADFSTEM 截面像；（f）由（e）获得的AlN与MoN的FFT图；（g）（e）中虚线框区域的 iDPCSTEM 图像；（h）AlN/MoN/SiO₂异质界面处Al、Mo、Si的原子分辨EDX元素分布；（i）沿（h）所示[0001]方向对 Al、Mo、O、Si的原子分辨EDX能谱线扫。

图3.非晶 SiO₂ 衬底上单晶GaN的结构与质量。（a）2 英寸 SiO₂ 上 GaN 薄膜照片；（b）GaN岛的SEM图，黄色六边形标示岛边；（c）3D岛状阶段 GaN 的面内EBSD图；（d、e）2D生长后GaN的SEM与AFM图；（f）GaN(102) 晶面的 XRD φ 扫描，四个高强度峰来自 Si(100) 衬底；（g）生长态GaN的 (002)/(102) XRC曲线；（h）15 次重复实验中 (002)/(102) FWHM的统计柱状图；（i）本研究GaN的FWHM与文献中多晶/非晶衬底结果对比，空心/实心符号分别对应 (002)/(102)，Poly表示多晶衬底；（j、k）在 g=[0002] 与 g=[11̅20] 条件下的GaN截面暗场TEM图像。

图4.非晶SiO₂衬底上HEMT器件性能。（a）外延HEMT结构（AlGaN/AlN/GaN）HAADFSTEM 截面像；（b）二维电子气的电子密度n₂d与霍尔迁移率μH随温度变化；（c）2DEG迁移率基准对比；（d）器件的光学显微与截面SEM图；（e）典型器件在V_DS=0.1 V 与 10 V下的转移特性；（f）同一器件的输出特性；（g）200 个器件在V_DS=10 V下的转移曲线；（h–j）对应的亚阈值摆幅（SS）、开关比与阈值电压（Vth）统计分布。

本研究得到多项国家与省部级基金资助，其中我院邢琨副教授获国家自然科学基金（62204073）、中央高校基本科研业务费（JZ2023HGTB0273）与安徽省自然科学基金（2208085QF210）等支持。此工作为III族氮化物在非晶、玻璃等功能化平台上的异质异构集成开辟了新路径，也为二维材料缓冲层的产业化应用提供了通用策略。