الجرافين بمساعدة شبه فان دير والز Epitaxy من فيلم ALN على الركيزة الياقوتية نانو منقوشة لضوديات الأشعة فوق البنفسجية الباعثة للضوء
Summary
يتم تقديم بروتوكول للنمو بمساعدة الجرافين لأفلام AlN عالية الجودة على الركيزة الياقوتية المنقوشة على نانو.
Abstract
يوضح هذا البروتوكول طريقة للنمو السريع بمساعدة الجرافين و جامعة AlN على الركيزة الياقوتية النانوية (NPSS). تزرع طبقات الجرافين مباشرة على NPSS باستخدام ترسب بخار كيميائي غير محفز لضغط الغلاف الجوي (APCVD). من خلال تطبيق النيتروجين التفاعلي النقش الأيون (RIE) معالجة البلازما، يتم إدخال عيوب في فيلم الجرافين لتعزيز التفاعل الكيميائي. خلال ترسب البخار الكيميائي العضوي (MOCVD) نمو AlN ، فإن هذا المخزن المؤقت للجرافين المعالج بلازما N يمكّن AlN من النمو السريع ، ويتم تأكيد الدمج على NPSS عن طريق المجهر الإلكتروني المسح المقطعي (SEM). ثم يتم تقييم الجودة العالية للـ ALN على الجرافين-NPSS بواسطة منحنيات هزاز الأشعة السينية (XRCs) مع عرض ضيق (0002) و (10-12) عرض كامل بنصف الحد الأقصى (FWHM) كـ 267.2 قوس ثانية و 503.4 arcsec على التوالي. بالمقارنة مع NPSS العارية، يظهر نمو AlN على الجرافين-NPSS انخفاضًا كبيرًا في الإجهاد المتبقي من 0.87 GPa إلى 0.25 Gpa ، استنادًا إلى قياسات Raman. تليها AlGaN آبار الكم متعددة (MQWS) النمو على الجرافين – NPSS ، AlGaN القائم على الأشعة فوق البنفسجية العميقة الباعث للضوء الصمامات الثنائية (المصابيح DUV) هي ملفقة. كما تُظهر المصابيح الضوئية المفبركة للضبي الضوئي أداءً واضحاً معززاً. يوفر هذا العمل حلا جديدا لنمو عالية الجودة ALN وتصنيع عالية الأداء DUV-المصابيح باستخدام عملية أقصر وأقل التكاليف.
Introduction
AlN و AlGaN هي المواد الأكثر أهمية في DUV-المصابيح1،2، والتي استخدمت على نطاق واسع في مختلف المجالات مثل التعقيم ، وعلاج البوليمر ، والكشف الكيميائي الحيوي ، غير خط من الاتصال البصر ، والإضاءة الخاصة3. بسبب عدم وجود ركائز جوهرية، AlN heteroepitaxy على ركائز الياقوت من قبل MOCVD أصبح الطريق التقني الأكثر شيوعا4. ومع ذلك ، فإن عدم تطابق شعرية كبيرة بين AlN والزفير الياقوت يؤدي إلى تراكم الإجهاد5،6، الاضطرابات عالية الكثافة ، وأخطاء التراص7. وبالتالي، يتم تقليل كفاءة الكم الداخلية من المصابيح8. في العقود الأخيرة، تم اقتراح استخدام الياقوت المنقوش كركائز (PSS) للحث على النمو الجانبي الظهاري AlN (ELO) لحل هذه المشكلة. بالإضافة إلى ذلك، تم إحراز تقدم كبير في نمو القوالب9،10،11. ومع ذلك، مع معامل التصاق السطح العالي والطاقة الترابط (2.88 eV لN)، والذرات لديها انخفاض الحركة السطحية الذرية، ونمو AlN يميل إلى أن يكون وضع نمو الجزيرة ثلاثية الأبعاد12. وهكذا، فإن النمو الإكسي لأفلام الـN على NPSS أمر صعب ويتطلب سمكاً أعلى من الدمج (أكثر من 3 ميكرومتر) من ذلك على ركائز الياقوت المسطحة، مما يسبب وقت نمو أطول ويتطلب تكاليف عالية9.
في الآونة الأخيرة، الجرافين يظهر إمكانات كبيرة لاستخدامها كطبقة عازلة لنمو AlN بسبب الترتيب سداسية من sp2 ذرات الكربون المهجنة13. بالإضافة إلى ذلك، فإن شبه فان دير والز epitaxy (QvdWE) من الجرافين على الجرافين قد يقلل من تأثير عدم التطابق ومهدت الطريق الجديد لنمو AlN14،15. لزيادة التفاعل الكيميائي للجرافين، استخدم Chen et al. N2البلازما المعالجة الجرافين كطبقة عازلة وحدد QvdWE من أفلام AlN و GaN عالية الجودة8، مما يدل على استخدام الجرافين كطبقة عازلة.
الجمع بين N2البلازما المعالجة الجرافين technic مع ركائز NPSS التجارية، وهذا البروتوكول يقدم طريقة جديدة للنمو السريع وتكديس من الن على الركيزة الجرافين-NPSS. يتم تأكيد سمك الاندماج تماما من الن على الجرافين-NPSS أن يكون أقل من 1 ميكرومتر، وطبقات AlN الظهارية هي ذات جودة عالية والإجهاد الإفراج. هذه الطريقة تمهد الطريق الجديد لإنتاج قالب ALN الشامل ويظهر إمكانات كبيرة في تطبيق ALGaN المستندة إلى المصابيح DUV.
Protocol
Representative Results
Discussion
كما هو مبين في الشكل 1أ، NPSS التي أعدتها تقنية الصفر يوضح أنماط مخروط نانو مقعر مع عمق 400 نانومتر ، 1 μm فترة من نمط ، و 300 نانومتر عرض المناطق غير الممفورة. بعد نمو APCVD من طبقة الجرافين، ويظهر الجرافين-NPSS في الشكل 1B. زيادة كبيرة في ذروة D من ن الب…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا العمل مالياً من قبل برنامج البحث والتطوير الوطني الصيني (رقم 2018YFB0406703)، والمؤسسة الوطنية الصينية للعلوم الطبيعية (رقم 61474109، 61527814، 11474274، 61427901)، ومؤسسة بكين للعلوم الطبيعية (رقم 4182063)
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 |
References
- Sakai, Y., et al. Demonstration of AlGaN-Based Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes on High-Quality AlN Templates. Jappanese Journal of Applied Physics. 49, 022102 (2010).
- Yun, J., Hirayama, H. Investigation of the light-extraction efficiency in 280 nm AlGaN-based light-emitting diodes having a highly transparent p-AlGaN layer. Journal of Applied Physics. 121, 013105 (2017).
- Khan, A., Balakrishnan, K., Katona, T. Ultraviolet light-emitting diodes based on group three nitrides. Nature Photonics. 2, 77-84 (2008).
- Balushi, Z. Y. A., et al. The impact of graphene properties on GaN and AlN nucleation. Surface Science. 634, 81-88 (2015).
- Motoki, K., et al. Growth and characterization of freestanding GaN substrates. Journal of Crystal Growth. 237, 912-921 (2002).
- Kim, Y., et al. Remote epitaxy through graphene enables two-dimensional material-based layer transfer. Nature. 544, 340-343 (2017).
- Hemmingsson, C., Pozina, G. Optimization of low temperature GaN buffer layers for halide vapor phase epitaxy growth of bulk GaN. Journal of Crystal Growth. 366, 61-66 (2013).
- Chen, Z., et al. High-Brightness Blue Light-Emitting Diodes Enabled by a Directly Grown Graphene Buffer Layer. Advanced Materials. 30, 1801608 (2018).
- Dong, P., et al. 282-nm AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes with improved performance on nano-patterned sapphire substrates. Applied Physics Letters. 102, 241113 (2013).
- Imura, M., et al. Epitaxial lateral overgrowth of AlN on trench-patterned AlN layers. Journal of Crystal Growth. 298, 257-260 (2007).
- Kueller, V., et al. Growth of AlGaN and AlN on patterned AlN/sapphire templates. Journal of Crystal Growth. 315, 200-203 (2011).
- Kneissl, M., et al. Advances in group III-nitride-based deep UV light-emitting diode technology. Semiconductor Science & Technology. 26, 014036 (2010).
- Kunook, C., Chul-Ho, L., Gyu-Chul, Y. Transferable GaN layers grown on ZnO-coated graphene layers for optoelectronic devices. Science. 330, 655-657 (2010).
- Kim, J., et al. Principle of direct van der Waals epitaxy of single-crystalline films on epitaxial graphene. Nature Communications. 5, 4836 (2014).
- Han, N., et al. Improved heat dissipation in gallium nitride light-emitting diodes with embedded graphene oxide pattern. Nature Communications. 4, 1452 (2013).
- Gupta, P., et al. MOVPE growth of semipolar III-nitride semiconductors on CVD graphene. Journal of Crystal Growth. 372, 105-108 (2013).
- Heinke, H., Kirchner, V., Einfeldt, S., Hommel, D. X-ray diffraction analysis of the defect structure in epitaxial GaN. Appllied Physics Letters. 77, 2145-2147 (2000).
- Lughi, V., Clarke, D. R. Defect and Stress Characterization of AlN Films by Raman Spectroscopy. Appllied Physics Letters. 89, 2653 (2006).
- Li, Y., et al. Van der Waals epitaxy of GaN-based light-emitting diodes on wet-transferred multilayer graphene film. Jappanese Journal of Applied Physics. 56, 085506 (2017).
- Chang, H., et al. Graphene-assisted quasi-van der Waals epitaxy of AlN film for ultraviolet light emitting diodes on nano-patterned sapphire substrate. Applled Physics Letters. 114, 091107 (2019).
