Graphene-Assisted Quasi-van der Waals Epitaxy af AlN Film på Nano-mønstrede Sapphire Substrat for Ultraviolet Light Emitting Diodes
Summary
En protokol for grafen-assisteret vækst af aln-film af høj kvalitet på nanomønstret safirunderlag præsenteres.
Abstract
Denne protokol viser en metode til grafen-assisteret hurtig vækst og sammensmeltning af AlN på nano-pattened safir substrat (NPSS). Graphene lag dyrkes direkte på NPSS ved hjælp af katalysator-fri atmosfærisk tryk kemiske dampaflejring (APCVD). Ved at anvende nitrogenreaktiv ionætsning (RIE) plasmabehandling indføres defekter i grafenfilmen for at forbedre kemisk reaktivitet. Under metal-organisk kemiske dampaflejring (MOCVD) vækst af AlN, denne N-plasma behandlet graphene buffer muliggør AlN hurtig vækst, og sammensmeltning på NPSS bekræftes ved tværsnitsscanning elektron mikroskopi (SEM). AlN’s høje kvalitet på grafen-NPSS evalueres derefter ved røntgenrockingkurver (XRCs) med smal (0002) og (10-12) fuld bredde ved halvn maksimum (FWHM) som henholdsvis 267,2 arcsec og 503,4 arcsec. Sammenlignet med bare NPSS viser AlN-væksten på graphene-NPSS en betydelig reduktion af restbelastningen fra 0,87 GPa til 0,25 Gpa baseret på Raman-målinger. Efterfulgt af AlGaN flere kvantebrønde (MQWS) vækst på graphene-NPSS, AlGaN-baserede dybe ultraviolette lysdioder (DUV lysdioder) er fremstillet. De fabrikerede DUV-LED’er viser også indlysende, forbedret luminescens ydeevne. Dette arbejde giver en ny løsning til vækst af aln af høj kvalitet og fremstilling af højtydende DUV-LED’er ved hjælp af en kortere proces og færre omkostninger.
Introduction
AlN og AlGaN er de vigtigste materialer i DUV-lysdioder1,2,som har været meget udbredt på forskellige områder såsom sterilisation, polymer hærdning, biokemisk detektion, ikke-line-of-sight kommunikation, og særlig belysning3. På grund af manglen på iboende substrater, AlN heteroepitaxy på safir substrater af MOCVD er blevet den mest almindelige tekniske rute4. Men, den store gitter mismatch mellem AlN og safir substrat fører til stressophobning 5,6,høj densitet dislokationer, og stabling fejl7. Således er den interne kvanteeffektivitet af lysdioder reduceret8. I de seneste årtier er det blevet foreslået at anvende mønstret safir som substrater (PSS) til at fremkalde aln-epitaxial lateral overvækst (ELO) for at løse dette problem. Desuden er der gjort store fremskridt med væksten i AlN-skabelonerne9,10og11. Men med en høj overflade vedhæftning koefficient og limning energi (2,88 eV for AlN), Al atomer har lav atomare overflade mobilitet, og væksten i AlN tendens til at have en tre-dimensionel ø vækstform12. Således epitaxial vækst af AlN film på NPSS er vanskelig og kræver højere coalescence tykkelse (over 3 μm) end på flade safir substrater, som forårsager længere væksttid og kræver høje omkostninger9.
For nylig, graphene viser et stort potentiale for brug som en buffer lag for AlN vækst på grund af sin sekskantede arrangement af sp2 hybridiserede kulstofatomer13. Desuden kan aln’s kvasi-van der Waals-epitaxy (QvdWE) på grafen reducere mismatch-effekten og har banet vejen for AlN-vækst14,15. For at øge den kemiske reaktivitet af graphene, Chen et al. brugt N2-plasmabehandlet graphene som en buffer lag og bestemmes QvdWE af høj kvalitet AlN og GaN film8, som viser udnyttelsen af graphene som en buffer lag.
Ved at2kombinere N 2-plasmabehandlet grafenteknik med kommercielle NPSS-underlag præsenterer denne protokol en ny metode til hurtig vækst og sammensmeltning af AlN på et graphene-NPSS-substrat. AlN’s fuldstændige sammensengstykkelse på graphene-NPSS bekræftes at være mindre end 1 μm, og de epitaxiale AlN-lag er af høj kvalitet og stressfrigives. Denne metode baner en ny vej for AlN skabelon masseproduktion og viser stort potentiale i anvendelsen af AlGaN-baserede DUV-lysdioder.
Protocol
Representative Results
Discussion
Som vist i figur 1Aillustrerer NPSS udarbejdet ved NIL-teknikken de nanokakkekonkakkemønstre med en dybde på 400 nm, en mønsterperiode på 1 μm og 300 nm bredde af de ikke-fastgjorte områder. Efter APCVD-væksten af grafenlaget vises grafen-NPSS i figur 1B. Den signifikant øgede D-top af N-plasmabehandlet grafen i Raman-spektre Figur 1C viser stigningen i dinglende bindinger ,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet økonomisk af Det Nationale Forskning og Udviklingsprogram i Kina (nr. 2018YFB0406703), National Natural Science Foundation of China (nr. 61474109, 61527814, 11474274, 61427901) og Beijing Natural Science Foundation (nr. 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).
