Grafenassistert Quasi-van der Waals Epitaxy av AlN Film på Nano-mønstret Sapphire Substrat for ultrafiolett lys emitting dioder
Summary
En protokoll for grafenassistert vekst av AlN-filmer av høy kvalitet på nanomønstret safirsubstrat presenteres.
Abstract
Denne protokollen demonstrerer en metode for grafenassistert rask vekst og koalescens av AlN på nano-pattened safir substrat (NPSS). Grafenlagene dyrkes direkte på NPSS ved hjelp av katalysatorfri atmosfærisk trykk kjemisk dampavsetning (APCVD). Ved å bruke plasmabehandling med nitrogenreaktiv ionetsing (RIE), blir det innført defekter i grafenfilmen for å forbedre kjemisk reaktivitet. Under veksten av metall-organisk kjemisk dampavsetning (MOCVD) av AlN, gjør denne N-plasmabehandlede grafenbufferen aln rask vekst, og koagulasjon på NPSS bekreftes ved tverrsnittsskanning elektronmikroskopi (SEM). Den høye kvaliteten på AlN på grafen-NPSS evalueres deretter av røntgengende gyngekurver (XRCer) med smale (0002) og (10-12) full bredde ved halvt maksimum (FWHM) som henholdsvis 267,2 arcsec og 503,4 arcsec. Sammenlignet med bare NPSS viser AlN-veksten på grafen-NPSS betydelig reduksjon av reststress fra 0,87 GPa til 0,25 Gpa, basert på Raman-målinger. Etterfulgt av AlGaN flere quantum brønner (MQWS) vekst på grafen-NPSS, AlGaN-baserte dyp ultrafiolett lysdioder (DUV lysdioder) er fabrikkert. De fabrikkerte DUV-LED-ene viser også åpenbar, forbedret luminescensytelse. Dette arbeidet gir en ny løsning for vekst av høy kvalitet AlN og fabrikasjon av høy ytelse DUV-lysdioder ved hjelp av en kortere prosess og mindre kostnader.
Introduction
AlN og AlGaN er de mest essensielle materialene i DUV-lysdioder1,,2, som har vært mye brukt i ulike felt som sterilisering, polymer herding, biokjemisk deteksjon, ikke-line-of-sight kommunikasjon, og spesiell belysning3. På grunn av mangel på indre substrater, har AlN heteroepitaxy på safir substrater av MOCVD blitt den vanligste tekniske ruten4. Men den store gitter mismatch mellom AlN og safir substrat fører til stress akkumulering5,6,høy tetthet dislokasjoner, og stabling feil7. Dermed reduseres den interne kvanteeffektiviteten til lysdioder8. I de siste tiårene har bruk av mønstret safir som substrater (PSS) for å indusere AlN epitaksial lateral overvekst (ELO) blitt foreslått for å løse dette problemet. I tillegg er det gjort store fremskritt i veksten av AlN-maler9,10,11. Men med en høy overflate vedheft koeffisient og bonding energi (2,88 eV for AlN), Al atomer har lav atomoverflate mobilitet, og veksten av AlN har en tendens til å ha en tredimensjonal øy vekstmodus12. Dermed er epitaksial vekst av AlN-filmer på NPSS vanskelig og krever høyere koalescenstykkelse (over 3 μm) enn på flate safir substrater, noe som forårsaker lengre veksttid og krever høye kostnader9.
Nylig viser grafen stort potensial for bruk som et bufferlag for AlN-vekst på grunn av sin sekskantede ordning av sp2 hybridiserte karbonatomer13. I tillegg kan kvasi-van der Waals epitaxy (QvdWE) av AlN på grafen redusere mismatch effekten og har banet en ny måte for AlN vekst14,15. For å øke den kjemiske reaktiviteten til grafen brukte Chen et al. N 2-plasmabehandlet grafen som et bufferlag og bestemte QvdWE av høykvalitets AlN- og GaN-filmer8, som demonstrerer utnyttelsen av grafen som et bufferlag.2
Ved å2kombinere N 2-plasmabehandlet grafenteknologi med kommersielle NPSS-substrater, presenterer denne protokollen en ny metode for rask vekst og koalescens av AlN på et grafen-NPSS-substrat. Den fullstendig koakketykkelsen av AlN på grafen-NPSS er bekreftet å være mindre enn 1 μm, og epitaxial AlN lag er av høy kvalitet og stress-utgitt. Denne metoden baner en ny måte for AlN mal masseproduksjon og viser stort potensial i anvendelsen av AlGaN-baserte DUV-lysdioder.
Protocol
Representative Results
Discussion
Som vist i figur 1Aillustrerer NPSS utarbeidet av NIL-teknikken de nanokonkave konkemønstrene med 400 nm dybde, 1 μm mønsterperiode og 300 nm bredde på de uinnlagte områdene. Etter APCVD-veksten av grafenlaget er grafen-NPSS vist i figur 1B. Den signifikante økte D-toppen av N-plasmabehandlet grafen i Raman spectra figur 1C viser økningen av dinglende obligasjoner generert un…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble økonomisk støttet av National Key R & D Program of China (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).
