2.1 溶液法制备h-BN掩模
通过超声处理，在有机溶剂（例如N-甲基-2-吡咯烷酮）中剥离h-BN薄片。将得到的多分散悬浮液旋涂到蓝宝石衬底上，形成无序、松散堆叠的薄片网络。与化学气相沉积（CVD）生长的h-BN单层机械转移相比，此方法无需光刻，且具有高度可扩展性。
1. 引言与概述
本工作展示了氮化镓（GaN）选区外延技术的一项突破。氮化镓是光电子和功率器件的基石材料。作者引入了一种“通孔外延”（THE）方法，该方法使用旋涂、溶液法制备的六方氮化硼（h-BN）薄片堆叠层作为生长掩模。其核心创新在于掩模在金属有机物化学气相沉积（MOCVD）过程中的“自调节”特性，这克服了传统二维材料转移工艺在可扩展性和界面控制方面的局限。该方法能够在任意衬底上直接生长出具有抑制穿透位错特性的垂直连接和横向外延的GaN区域。
2. 方法与实验设置
实验流程结合了可扩展的溶液处理技术与标准外延生长技术。
2.2 金属有机物化学气相沉积 (MOCVD)
GaN生长在标准MOCVD反应器中进行，使用三甲基镓（TMGa）和氨气（NH3）作为前驱体。优化了生长温度和压力，以促进前驱体通过h-BN堆叠层扩散，并随后在衬底上成核。
3. 结果与分析
3.1 自调节掩模机制
核心发现是h-BN堆叠层在生长过程中的动态重组。前驱体物质（Ga， N）通过纳米尺度的间隙和缺陷扩散。这种扩散，结合局部的热和化学相互作用，导致薄片发生微妙的重新排列，拓宽了渗透路径，并使相干成核位点能够在掩模下方的衬底上直接形成。这从根本上区别于静态掩模范式。
3.2 结构表征
扫描电子显微镜（SEM）图像证实了连续GaN薄膜的形成，并在h-BN掩模上实现了横向外延。拉曼光谱成像显示了h-BN信号（∼1366 cm-1）与GaN E2(高)声子模式（∼567 cm-1）之间清晰的空间分离，证明了外延GaN存在于h-BN层下方。
图1（概念图）： 自调节机制示意图。(A) 初始旋涂的h-BN堆叠层，渗透路径有限。(B) 在MOCVD过程中，前驱体通量和局部力导致薄片重新排列，打开新的渗透通道（红色箭头）。(C) GaN通过这些通道成核并生长，最终合并成连续薄膜。
3.3 缺陷抑制分析
在h-BN掩模下方的GaN/蓝宝石界面处进行的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）分析显示，与直接在蓝宝石上生长相比，穿透位错密度显著降低。h-BN充当了一种柔顺的纳米多孔过滤器，破坏了来自高度失配衬底的缺陷传播。
关键性能指标
- 工艺可扩展性： 无需光刻或确定性二维材料转移。
- 缺陷减少： 穿透位错密度降低超过1个数量级（定性HRTEM观察）。
- 材料兼容性： 已在蓝宝石上验证；原理适用于硅、碳化硅等衬底。
4. 技术细节与数学框架
该过程可以部分地用扩散限制的成核动力学来描述。通过多孔h-BN掩模的前驱体通量 $J$ 可以使用修正的菲克定律来建模，该定律适用于具有随时间变化的扩散系数 $D(t)$ 的介质，并考虑了自调节路径：
$J = -D(t) \frac{\partial C}{\partial x}$
其中 $C$ 是前驱体浓度，$x$ 是通过掩模的距离。衬底上的成核速率 $I$ 则与该通量成正比，并遵循经典成核理论：
$I \propto J \cdot \exp\left(-\frac{\Delta G^*}{k_B T}\right)$
其中 $\Delta G^*$ 是GaN成核的临界自由能垒，$k_B$ 是玻尔兹曼常数，$T$ 是温度。掩模的自调节有效地随时间增加了 $D(t)$，从而调节 $I$，并导致观察到的延迟但相干的成核事件。
5. 分析框架与案例研究
核心见解： 这不仅仅是一种新的生长配方；它是外延掩模技术从确定性图案化到随机自组织的范式转变。该领域一直痴迷于完美、原子级锐利的二维掩模（例如石墨烯）。这项工作大胆地论证了，一个混乱、多分散且动态的掩模不是缺陷——正是它实现了可扩展性。
逻辑脉络： 论证令人信服：1) 可扩展性需要溶液处理。2) 溶液处理产生无序堆叠。3) 无序通常会阻碍生长。4) 他们的突破在于：证明在MOCVD条件下，无序会自组织以促进生长。它将一个根本性的材料挑战转化为了核心机制。
优势与不足： 其优势毋庸置疑——为高质量GaN提供了一条真正可扩展、无需光刻的路径。它巧妙地规避了困扰二维材料集成的转移问题，让人联想到溶液处理的钙钛矿如何绕过了太阳能电池对完美单晶的需求。主要不足，如同任何随机过程一样，在于控制。能否在6英寸晶圆上可靠地实现均匀的成核密度？论文展示了精美的显微图像，但缺乏关于畴尺寸分布或晶圆级均匀性的统计数据——这些是工业应用的关键指标。
可操作的见解： 对于研究人员：停止追求完美的二维掩模。探索其他“自调节”材料体系（例如MoS2、WS2薄片）用于不同的半导体。对于工程师：直接应用在于微LED显示领域，其中在异质衬底（如硅背板）上的缺陷抑制至关重要。与MOCVD设备制造商合作，将自调节工艺参数编入标准配方模块。
框架应用：掩模策略比较
考虑选区外延掩模的演变：
- SiO2掩模（传统ELOG）： 静态，光刻定义。控制度高，但不可扩展。
- 转移的h-BN/石墨烯： 近乎完美的二维屏障。缺陷阻挡效果极佳，但转移是扩展性的噩梦。
- 本工作（溶液h-BN）： 动态，自调节。牺牲绝对的空间控制，以换取可扩展性和衬底无关性的巨大提升。它是外延掩模的“深度学习”——利用复杂性而非对抗它。
6. 未来应用与方向
- 微LED显示： 能够在硅CMOS驱动晶圆上直接生长高质量、缺陷抑制的GaN微像素，这是实现单片集成和降低成本的关键目标。这解决了微LED行业协会等行业联盟确定的关键瓶颈。
- 光子集成电路 (PIC)： 允许在硅光子平台上选择性生长基于GaN的激光二极管和调制器，实现片上光互连。
- 下一代功率电子： 该技术可扩展用于在大面积、成本效益高的衬底（如硅）上生长厚、低缺陷的GaN漂移层，用于高压晶体管。
- 研究方向： 自调节动力学的定量建模。探索其他二维材料（例如过渡金属硫族化合物）作为不同化合物半导体（例如GaAs、InP）的掩模。与人工智能/机器学习结合，以预测和优化随机涂覆结果，获得所需的成核分布。
7. 参考文献
- Ha, J., Choi, M., Yang, J., & Kim, C. (2025). Scalable thru-hole epitaxy of GaN through self-adjusting h-BN masks via solution-processed 2D stacks. arXiv:2505.11045.
- Nakamura, S. (1991). GaN Growth Using GaN Buffer Layer. Japanese Journal of Applied Physics, 30(10A), L1705. (关于GaN缺陷减少的开创性工作).
- Kobayashi, Y., Kumakura, K., Akasaka, T., & Makimoto, T. (2012). Layered boron nitride as a release layer for mechanical transfer of GaN-based devices. Nature, 484(7393), 223-227. (h-BN在GaN技术中的早期应用).
- Liu, Z., et al. (2016). Strain and structure heterogeneity in MoS2 atomic layers grown by chemical vapour deposition. Nature Communications, 7, 13256. (关于溶液处理二维薄膜固有无序性的研究).
- MicroLED Industry Association (MLIA). (2024). Technology Roadmap: Heterogeneous Integration for MicroLED Displays. (衬底无关生长的行业背景).