氮化温度对二维MoS2 辅助分子束外延生长氮化镓薄膜的影响机制研究

本研究针对二维MoS2 衬底上高质量GaN薄膜外延生长的关键难题，通过系统比较750°C与600°C预氮化温度对MoS2 /蓝宝石衬底的影响，发现600°C氮化可保持MoS2 层完整性，显著提升GaN薄膜结晶质量（XRD半高宽4442弧秒）并降低缺陷发光强度，为发展新型GaN基光电器件提供了重要工艺优化方案。

　　

在半导体技术飞速发展的今天，氮化镓（GaN）因其3.4 eV的直接带隙、高电子迁移率等特性，成为制备高功率电子器件和紫外-蓝光光电器件的核心材料。然而传统异质外延中，GaN与蓝宝石、碳化硅等衬底间高达16%的晶格失配会导致薄膜产生10⁸
-10¹⁰
cm^-2
位错密度，严重制约器件性能。二维材料MoS₂
因其0.8%的超低晶格失配和范德华（vdW）外延特性，被视为突破这一瓶颈的新颖衬底——其层间弱相互作用可有效释放应变，理论上能实现无悬挂键的原子级平整界面。但实际操作中，分子束外延（MBE）生长前的预氮化处理犹如一把双刃剑：过高温度会破坏MoS₂
层结构，而过低温度又难以提供足够的氮活性位点。

台湾国立东华大学的研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表的研究，首次系统揭示了预氮化温度对二维MoS₂
辅助GaN生长的调控规律。通过等离子体辅助分子束外延（PA-MBE）技术，在化学气相沉积（CVD）法制备的2 nm厚MoS₂
/蓝宝石衬底上，分别采用750°C和600°C进行预氮化处理，随后生长GaN薄膜。研究综合运用反射高能电子衍射（RHEED）、场发射扫描电镜（FE-SEM）、原子力显微镜（AFM）、拉曼光谱等八种表征手段，构建了从原子排列到宏观性能的全尺度评价体系。

实验方法
研究采用CVD法在2英寸c面蓝宝石上制备2 nm MoS₂
缓冲层，通过高真空电子枪蒸发1 nm MoO₃
前驱体并经H₂
S硫化获得。PA-MBE生长过程中，分别设置750°C和600°C两组预氮化温度，通过控制氮等离子体流量维持相同氮暴露量。GaN生长阶段保持衬底温度580°C，镓束流等效压力2.5×10^-7
Torr。

结果与讨论
RHEED图谱显示750°C处理后的MoS₂
层出现斑点状图案，表明部分降解为三维岛状结构，而600°C组仍保持清晰的二维条纹。FE-SEM证实高温组GaN表面存在大量六角形岛（尺寸200-300 nm），而低温组呈现连续平整薄膜。AFM定量分析显示两组RMS粗糙度分别为7.82 nm和4.65 nm。

HR-XRD测试中，600°C组GaN（002）面摇摆曲线半高宽较750°C组收窄23%，对应位错密度降低一个数量级。低温光致发光（PL）光谱中，600°C样品的近带边发射（NBE）强度提高3倍，而深能级发射（450-650 nm）强度降低67%。TEM截面分析直接观察到600°C条件下完整的MoS₂
夹层结构，而高温组出现明显的MoS₂
层断裂和GaN晶格畸变。

结论
该研究证实600°C预氮化能维持MoS₂
层结构完整性，使GaN薄膜表面粗糙度降低40%，位错密度降至10⁸
cm^-2
量级。分子动力学模拟揭示高温氮化会引发MoS₂
表面硫空位聚集（形成能1.2 eV），进而破坏vdW外延界面。这一发现为二维材料辅助的III族氮化物外延提供了明确的工艺窗口，推动柔性电子、垂直腔面发射激光器（VCSEL）等新型器件发展。研究团队特别指出，未来可通过原子层沉积（ALD）在MoS₂
表面构建氮化铝（AlN）过渡层，有望进一步降低生长温度至500°C以下。