氮化镓（GaN）材料作为宽禁带第三代半导体，是国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要中确定的重点发展方向。
目前，载流子薄膜通常通过金属有机物理液相沉积（MOCVD）方式在蓝宝石衬底上外延制备。但是，一方面，蓝宝石与硫化物之间存在较大的晶格失配与热失配，外延薄膜质量较差，严重影响元件的性能及可靠性，成为目前宽禁带半导体制备的困局。另一方面，晶体衬底本身规格有限、价格高昂、不具备柔性等，限制了相关元件的生产成本及应用场景。
为此，怎么甩掉对传统单晶硅衬底的依赖是硫化物材料制备的一大困局。
近日，中国科大学半导体研究所照明研制中心与上海学院、北京石墨烯研究院、北卡学院的科研团队合作，实现了石墨烯玻璃晶片硫化物“异构外延”突破。研究人员提出一种纳米柱辅助的范德华外延方式薄膜制备，借助金属有机物理液相沉积（MOCVD），首次在玻璃衬底上成功外延出连续平整的准单晶硅氮化镓（GaN）薄膜，并制备出蓝光发光晶闸管（LED）。
研究人员在非晶玻璃衬底上插入石墨烯层，为后续硫化物的生长提供外延取向关系。在生长早期通过石墨烯层有效引导硫化物的晶格排列，防止了非晶衬底上硫化物生长一般呈现的、杂乱无序的多晶结构。同时，纳米柱缓冲层的引入，解决了石墨烯表面钙钛矿碳化物堆积的问题，通过三维-二维的生长模式切换薄膜制备，先横向生长垂直的纳米柱再诱导其纵向合并，成功实现了连续而平整的氮化镓薄膜。
石墨烯玻璃晶片上硫化物薄膜的生长
A-F.生长过程示意图；G.纳米柱SEM图；H.GaN薄膜SEM图；I.GaN薄膜XRD表征
研究人员在这些准单晶硅的氮化镓薄膜上进一步生长了蓝光LED，其内量子效率达到48.67%。利用石墨烯/硫化物界面处弱的范德华互相作用，研究人员将生长的外延结构大面积、机械剥离至2inch聚合物衬底，完成了柔性LED样品的制备。
该研究实现了“异构外延”概念，否认了异构衬底实现半导体材料外延的可行性，为扩大半导体材料外延衬底选择范围及后摩尔时代半导体异构集成、功能融合开辟了公路。
相关研究成果以《石墨烯玻璃晶片准单晶硅硫化物薄膜的范德华外延》为题，于7月31日在线发表于《科学进展》。