Graphen-Assisted Quasi-van der Waals Epitaxy von AlN Film auf Nano-PatternEd Sapphire Substrat für ultraviolette Leuchtdioden
Summary
Ein Protokoll für graphengestütztes Wachstum hochwertiger AlN-Folien auf nanogemusterten Saphirsubstraten wird vorgestellt.
Abstract
Dieses Protokoll zeigt eine Methode für graphengestütztes schnelles Wachstum und Koaleszenz von AlN auf nano-patteniertem Saphirsubstrat (NPSS). Graphenschichten werden direkt auf NPSS unter Verwendung der katalysatorfreien atmosphärischen Druck-chemischen Dampfabscheidung (APCVD) angebaut. Durch die Anwendung der Stickstoff-reaktiven Ionenätzung (RIE) Plasmabehandlung werden Defekte in den Graphenfilm eingeführt, um die chemische Reaktivität zu verbessern. Während des metallorganischen chemischen Dampfabbaus (MOCVD) von AlN ermöglicht dieser N-Plasma behandelte Graphenpuffer ein schnelles AlN-Wachstum, und die Koaleszenz auf NPSS wird durch die Querschnittselektronenmikroskopie (SEM) bestätigt. Die hohe Qualität von AlN auf Graphen-NPSS wird dann durch Röntgengesteinskurven (XRCs) mit schmaler (0002) und (10-12) voller Breite bei Halbmaximum (FWHM) als 267,2 Arcsec bzw. 503,4 Arcsec bewertet. Im Vergleich zu blankem NPSS zeigt das AlN-Wachstum auf Graphen-NPSS eine signifikante Reduzierung der Restspannung von 0,87 GPa auf 0,25 Gpa, basierend auf Raman-Messungen. Gefolgt von AlGaN multiple quantum wells (MQWS) Wachstum auf Graphen-NPSS, AlGaN-basierte tiefe ultraviolette Leuchtdioden (DUV LEDs) hergestellt werden. Die hergestellten DUV-LEDs zeigen auch eine offensichtliche, verbesserte Lumineszenzleistung. Diese Arbeit bietet eine neue Lösung für das Wachstum von hochwertigen AlN und die Herstellung von Hochleistungs-DUV-LEDs mit einem kürzeren Prozess und weniger Kosten.
Introduction
AlN und AlGaN sind die wichtigsten Materialien in DUV-LEDs1,2, die in verschiedenen Bereichen wie Sterilisation, Polymerhärtung, biochemische Detektion, Nicht-Sicht-Kommunikation und spezielle Beleuchtung3weit verbreitet sind. Aufgrund des Mangels an intrinsischen Substraten ist die AlN-Heteroepitaxie auf Saphirsubstraten von MOCVD zur gebräuchlichsten technischen Route4geworden. Die große Gitter-Missverhältnis zwischen AlN und Saphirsubstrat führt jedoch zu Spannungsansammlung5,6, Verrenkungen mit hoher Dichte und Stapelfehlern7. Dadurchwirddie interne Quanteneffizienz von LEDs 8 reduziert. In den letzten Jahrzehnten wurde vorgeschlagen, gemusterten Saphir als Substrate (PSS) zu verwenden, um AlN epitaxiales laterales Überwucherungswachstum (ELO) zu induzieren, um dieses Problem zu lösen. Darüber hinaus wurden große Fortschritte beim Wachstum der AlN-Vorlagen9,10,11erzielt. Bei einem hohen Oberflächenhaftungskoeffizienten und Bindungsenergie (2,88 eV für AlN) haben Al-Atome jedoch eine geringe atomare Oberflächenmobilität, und das Wachstum von AlN neigt dazu, einen dreidimensionalen Inselwachstumsmodus zu haben12. Somit ist das epitaxiale Wachstum von AlN-Folien auf NPSS schwierig und erfordert eine höhere Koaleszenzdicke (über 3 m) als bei flachen Saphirsubstraten, was zu längerer Wachstumszeit führt und hohe Kosten erfordert9.
Kürzlich zeigt Graphen aufgrund seiner sechseckigen Anordnung von sp2 hybridisierten Kohlenstoffatomen13ein großes Potenzial für den Einsatz als Pufferschicht für das AlN-Wachstum. Darüber hinaus kann die Quasi-van der Waals Epitaxie (QvdWE) von AlN auf Graphen den Mismatch-Effekt reduzieren und hat einen neuen Weg für AlN-Wachstum14,15geebnet. Um die chemische Reaktivität von Graphen zu erhöhen, verwendeten Chen et al.N2-plasmabehandeltesGraphen als Pufferschicht und ermittelten die QvdWE von hochwertigen AlN- und GaN-Folien8, die die Verwendung von Graphen als Pufferschicht demonstriert.
Durch die2Kombination der N2-Plasma-behandelten Graphentechnik mit kommerziellen NPSS-Substraten stellt dieses Protokoll eine neue Methode für schnelles Wachstum und Koaleszenz von AlN auf einem Graphen-NPSS-Substrat dar. Die vollständig koaleszische Dicke von AlN auf Graphen-NPSS wird bestätigt, um weniger als 1 ‘m zu sein, und die epitaxialen AlN-Schichten sind von hoher Qualität und Stress freigesetzt. Diese Methode ebnet einen neuen Weg für die AlN-Vorlagen-Massenproduktion und zeigt großes Potenzial bei der Anwendung von AlGaN-basierten DUV-LEDs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wie in Abbildung 1Adargestellt, veranschaulicht das mit der NIL-Technik hergestellte NPSS die nanokonkaven Kegelmuster mit 400 nm Tiefe, 1 m Musterperiode und 300 nm Breite der ungeätzten Regionen. Nach dem APCVD-Wachstum der Graphenschicht ist das Graphen-NPSS in Abbildung 1Bdargestellt. Der signifikant erhöhte D-Peak von N-Plasma behandeltem Graphen in Raman-Spektren Abbildung 1C</strong…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch das National Key R&D Program of China (Nr. 2018YFB0406703), die National Natural Science Foundation of China (Nr. 61474109, 61527814, 11474274, 61427901) und die 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 |
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