紫外发光二极管纳米图案蓝宝石基板的AlN薄膜的石墨烯辅助准范德瓦尔斯皮Taxy

Summary

提出了一种在纳米图案蓝宝石基材上生产高质量AlN薄膜的石墨烯辅助生长方案。

Abstract

该协议演示了一种在纳米片形蓝宝石基材 （NPSS） 上采用石墨烯辅助快速生长和粘聚 AlN 的方法。使用无催化剂的大气压力化学气相沉积 （APCVD） 直接在 NPSS 上生长石墨烯层。通过应用氮反应离子蚀刻（RIE）等离子体处理，在石墨烯薄膜中引入缺陷，以提高化学反应性。在AlN的金属-有机化学气相沉积（MOCVD）生长过程中，这种N等离子体处理石墨烯缓冲液使AlN能够快速生长，NPSS上的聚化通过横截面扫描电子显微镜（SEM）得到确认。然后，通过 X 射线摇摆曲线 （XRCs） 评估石墨烯-NPSS 上的高质量，在半最大值 （FWHM） 下，全宽为 267.2 弧秒和 503.4 弧秒。与裸 NPSS 相比，石墨烯-NPS 上的 AlN 增长显示，根据拉曼测量，残余应力从 0.87 GPa 显著减小到 0.25 Gpa。其次是AlGaN多量子井（MQWS）在石墨烯-NPSS上的生长，基于AlGaN的深紫外发光二极管（DUV LED）被制造出来。制造的 DUV LED 还表现出明显的增强发光性能。这项工作为高品质 AlN 的生长和高性能 DUV LED 的制造提供了新的解决方案，使用更短的工艺和更少的成本。

Introduction

AlN和AlGaN是^{DUI-LED1、2,}中最重要的^材料，广泛应用于灭菌、聚合物固化、生化检测、非视线通信、特殊照明^3等领域。由于缺乏内在基材，MOCVD蓝宝石基材上的AlN异质基已成为最常见的技术路线^4。然而，AlN和蓝宝石基板之间的大晶格不匹配会导致应力积累^5,5、6、高密度错位和堆叠故障^7。因此，LED的内部量子效率降低了^8。近几十年来，人们提出使用图案蓝宝石作为基材（PSS）来诱导AlN外延性横向过度生长（ELO）来解决这个问题。此外，AlN模板^{,,9、10、11}的成长^{9也取得了很大进展}。然而，由于表面粘附系数高，粘附能高（AlN为2.88 eV），Al原子表面流动性低，AlN的生长往往具有三维岛生长模式^12。因此，NPSS 上的 AlN 薄膜的外延生长是困难的，并且需要比平蓝宝石基材更高的粘结厚度（超过 3 μm），这会导致更长的生长时间，并且需要^{高成本 9}。

最近，石墨烯显示出巨大的潜力，用于作为一个缓冲层作为AlN增长，由于其六边排列的^sp2杂交碳原子^13。此外，AlN的准范德瓦尔斯外延（QvdWE）可以减少不匹配效应，并为AlN生长^{14，15,铺平了一条新路}。为了增加石墨烯的化学反应性，陈等人使用_{N 2}等离子体处理石墨烯作为缓冲层，确定了优质AlN和^GaN膜8的QvdWE，证明了石墨烯作为缓冲层的利用。

结合N₂等离子处理石墨烯技术与商用NPSS基板，该协议提出了一种在石墨烯-NPSS基材上快速生长和合并AlN的新方法。石墨烯-NPSS上AlN的完全合并厚度确认小于1μm，外延AlN层具有高质量和释放应力。该方法为AlN模板批量生产铺平了一条新路，在基于AlGaN的DUILED的应用上显示出了巨大的潜力。

Protocol

注意：这些方法中使用的几种化学物质具有剧毒和致癌性。使用前请查阅所有相关材料安全数据表 （MSDS）。 1. 纳米印刷光刻（NIL）编制NPSS SiO2 薄膜的沉积 用乙醇清洗2英寸C平面蓝宝石基板，然后用去电化水三次。 用氮气枪擦干基材。 在300°C下通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）将200纳米SiO2薄膜沉积在扁平蓝宝石基材上。?…

Representative Results

为外延AlN薄膜（图1，图2）和基于AlGaN的DUV-LED（图3）采集了扫描电子显微镜（SEM）图像、X射线衍射摇摆曲线（XRC）、拉曼光谱、透射电子显微镜（TEM）图像和电致发光（EL）光谱。SEM 和 TEM 用于确定石墨烯-NPSS 上的 AlN 形态。XRD 和拉曼用于计算错位密度和残余应力。EL 用于说明制造的 DUV LED 的照明。 <p class="jove_content" fo:keep-tog…

Discussion

如图1 Figure 1A所示，NIL 技术制备的 NPSS 说明了具有 400 nm 深度、1 μm 图案周期和 300 nm 宽度的纳米凹锥形图案。在石墨烯层的APCVD生长之后，图1B显示了石墨烯-NPSS。B拉曼光谱图1C中N等离子体处理石墨烯的D峰显著增加，表明在RIE工艺16期间产生的悬垂^键增加。在AlN直接MOCVD增长…

Materials

Acetone,99.5%	Bei Jing Tong Guang Fine Chemicals company	1090
APCVD	Linderberg	Blue M
EB	AST	Peva-600E
Ethonal,99.7%	Bei Jing Tong Guang Fine Chemicals company	1170
HF,40%	Beijing Chemical Works	1789
ICP-RIE	AST	Cirie-200
MOCVD	VEECO	P125
PECVD	Oerlikon	790+
Phosphate,85%	Beijing Chemical Works	1805
Sulfuric acid,98%	Beijing Chemical Works	10343