宽禁带科技论|中科院苏州纳米所徐科团队：缺陷工程使原本不能RE的h-BN成功外延GaN

第一作者：Jianxi Xu
通讯作者：Yuning Wang, Yu Xu，Bing Cao，Ke Xu
通讯单位：中国科学技术大学、苏州大学、中科院苏州纳米所

研究背景

远程外延（RE）通过二维材料（2DM）中间层复制衬底晶体学信息，是异质集成的重要策略。然而，以往研究多集中于完美晶格2DM（如石墨烯），而2DM中普遍存在的缺陷（如Stone-Wales缺陷、空位、取代掺杂）对外延的影响尚不明确。特别是极性h-BN，传统认为其无法实现RE。本研究揭示缺陷态h-BN（DBN）中的缺陷诱导电荷转移增强（DCTE）效应，显著增强电子离域与界面电荷转移，使原本不能实现RE的h-BN成功实现远程外延，并提出了量化界面相互作用的物理量“净电荷转移量（NCT）”。

研究要点

• DCTE效应机制：DBN中B-B和N-N非极性共价键的电子离域指数（DI）显著高于h-BN中B-N极性键，电子更易交换，导致界面电荷转移大幅增强。ELF、CDD与Bader电荷分析证实了该效应。
• RE实验验证：在BDBN（双层缺陷h-BN）及SLG/SDBN复合中间层上成功外延生长GaN，通过STEM、SAED、EDS、EELS确认了连续完整界面与外延取向关系（(0001)[11-20] GaN ∥ (0001)[11-20] GaN模板），且可机械剥离。对比实验表明，完美h-BN无法实现RE。
• NCT物理量：定义NCT为界面处平面平均电荷密度积分的一半，可定量反映界面电荷转移强度。NCT与结合能Eb正相关，而Bader电荷无此相关性。GaN/h-BN/GaN模板的NCT=0.130 e（无法RE），GaN/BDBN/GaN模板的NCT=0.133 e（可实现RE），临界值约0.13–0.133 e。
• 普适性：DCTE效应适用于其他缺陷类型（空位、C取代）和其他2DM（缺陷石墨烯、缺陷MoS₂）以及不同衬底（SiC、ZnO），均显著提高NCT与界面结合能。
• 光电器件应用：SDBN/GaN异质结光电探测器在254 nm紫外光下，响应速度（上升7.53 ms，下降11.50 ms）远快于GaN探测器（0.89 s/1.76 s），归因于DCTE增强的内建电场促进光生载流子分离。
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实验方法

• 材料制备：采用CVD法制备SLG、SDBN及BDBN，通过湿法转移至GaN模板（或SiC、ZnO衬底）。GaN外延在MOCVD中进行：700°C低温成核，随后采用“保气源加热法”升至1050°C高温生长。
• 结构表征：SEM观察表面形貌；AC-STEM、SAED分析界面原子结构与外延取向；EDS、EELS确认界面元素分布。
• 理论计算：基于DFT（PWmat软件，PBE泛函）计算电荷密度差、电子局域函数、Bader电荷、结合能、净电荷转移量（NCT）及离域/局域指数。
• 器件制备与测试：在GaN模板上转移SDBN，蒸镀Ti/Au电极，使用Keithley 4200在254 nm紫外光下测量I-V、I-t及响应时间。
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图文内容

图 1 GaN 在 BDBN/GaN 模板上的远程外延（RE）

a) 在 BDBN/GaN 模板上低温生长 5 分钟的 GaN 扫描电子显微镜（SEM）图像。

b) 由远程外延形成的晶核的扫描透射电子显微镜（STEM）图像。

c) 界面处的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像。蓝色框和红色框内的插图分别为 GaN 和 GaN 模板的选区电子衍射（SAED）图谱。

d) 界面处硼（B）、氮（N）、镓（Ga）原子的能量色散谱（EDS）线扫结果。

e,f) 界面处硼（B）和氮（N）原子的 EDS 信号图。

g) 界面处的电子能量损失谱（EELS）信号。

h) 远程外延前 BDBN/GaN 模板的原子构型。俯视图电荷密度等高线图截取于距最顶层 SDBN 表面 1 Å 高度处（以红线标记）。为消除 BDBN 带来的背景电荷密度，已从 ρ_{BDBN/GaN 模板}中扣除 ρ_BDBN。

i) GaN/BDBN/GaN 模板界面处的电荷密度差（CDD）等值面与截面图，等值面水平为 ±0.005 e/Å3。橙色和绿色等值面分别代表电子积累与电子耗尽。

图 2 GaN 在 SLG/SDBN/GaN 模板上的远程外延（RE）

a) GaN/SLG/SDBN/GaN 模板的截面扫描透射电子显微镜（STEM）图像。

b) 取自 (a) 中黑色框区域的高分辨（HR）高角环形暗场（HAADF）-STEM 图像。

c) GaN/SLG/SDBN/GaN 模板界面的选区电子衍射（SAED）图谱。

d–f) 界面处硼（B）、碳（C）、氮（N）、镓（Ga）原子的能量色散谱（EDS）信号及线扫结果。

g) 对 GaN/SLG/SDBN、GaN/BDBN、GaN/SLG/SDBN/GaN 模板（重复项为原文笔误，保留原意）的 Bader 电荷转移分析。

图 3 异质结的界面电子性质

GaN / 二维材料（2DM）、GaN / 二维材料（2DM）/GaN 模板以及 GaN/GaN 模板的Bader 电荷、结合能（Eb）和净电荷转移量（NCT）。

图 4 SDBN 电子离域性的计算

a) 六方氮化硼 / 氮化镓（h-BN/GaN）异质结的原子构型与电荷密度差（CDD）等值面，等值面取值为 ±0.01 e/Å3。橙色与绿色等值面分别代表电子富集与电子耗竭区域。

b) h-BN/GaN 异质结的电子定域化函数（ELF）等值面。

c) 沿 (b) 中虚线截取的电子定域化函数截面图。

d) SDBN/GaN 异质结的原子构型与电荷密度差（CDD）等值面，等值面取值为 ±0.01 e/Å3。

e) SDBN/GaN 异质结的电子定域化函数（ELF）等值面。

f) 沿 (e) 中虚线截取的电子定域化函数截面图。

g) 单层石墨烯（SLG）、六方氮化硼（h-BN）与 SDBN 的离域指数（DI）。

h) 单层石墨烯（SLG）、六方氮化硼（h-BN）与 SDBN 的定域指数（LI）。

图 5 DCTE 效应的普适性

a) GaN/SDG/GaN 模板的原子构型与电荷密度等值面（左图）以及平面平均电荷密度分布曲线（右图）。

b) GaN/SDG 与 GaN/SDG/GaN 模板界面处的 Bader 电荷、结合能Eb与净电荷转移量（NCT）。

c–f) 不同缺陷体系的原子构型与电荷密度等值面（左图）以及平面平均电荷密度分布曲线（右图）：(c) GaN/SDBN (VB)/GaN 模板（含硼空位缺陷的 h-BN）；(d) GaN/SDBN (VN)/GaN 模板（含氮空位缺陷的 h-BN）；(e) GaN/SDBN (CB)/GaN 模板（硼位被碳取代的 h-BN）；(f) GaN/SDBN (CN)/GaN 模板（氮位被碳取代的 h-BN）。等值面取值设为 ±0.005 e/Å3。橙色与绿色等值面分别代表电子积累与电子耗尽

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s44287-026-00263-0https://doi.org/10.1002/adma.202517794.

来源： 先进半导体器件

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