Grafen Destekli Quasi-van der Waals Epitaxy AlN Film Nano-Desenli Safir Substrat ultraviyole Işık Yayan Diyotlar için
Summary
Nano desenli safir substrat üzerinde yüksek kaliteli AlN filmleringraf-destekli büyüme için bir protokol sunulmaktadır.
Abstract
Bu protokol, grafen destekli hızlı büyüme ve AlN’nin nano-pattened safir substrat (NPSS) üzerinde biraraya gelemesi için bir yöntem göstermektedir. Grafen tabakaları doğrudan NPSS üzerinde katalizöriçermeyen atmosferik basınç kimyasal buhar birikimi (APCVD) kullanılarak yetiştirilir. Azot reaktif iyon gravür (RIE) plazma tedavisi uygulanarak, kimyasal reaktiviteyi artırmak için grafen filme defektler getirilir. AlN’nin metal-organik kimyasal buhar birikimi (MOCVD) büyümesi sırasında, bu N-plazma işlenmiş grafen tamponU AlN hızlı büyüme sağlar ve NPSS’de birleşen kesitsel taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile doğrulanır. Grafen-NPSS’deki AlN’nin yüksek kalitesi daha sonra x-ışını sallanan eğrileri (XRCs) ile dar (0002) ve (10-12) tam genişlikte yarım maksimum (FWHM) sırasıyla 267.2 arcsec ve 503.4 arcsec olarak değerlendirilir. Bare NPSS ile karşılaştırıldığında grafen-NPSS’deki AlN büyümesi Raman ölçümlerine göre 0,87 GPa’dan 0,25 Gpa’ya kadar kalan streste önemli bir azalma göstermektedir. Grafen-NPSS’de AlGaN çoklu kuantum kuyuları (MQWS) büyümesi takip edilerek, AlGaN tabanlı derin ultraviyole ışık yayan diyotlar (DUV LED’ler) üretilir. Fabrikasyon DUV-LED’ler de bariz, gelişmiş parlaklık performansı gösterir. Bu çalışma, yüksek kaliteli AlN’nin büyümesi ve daha kısa bir proses ve daha az maliyet kullanarak yüksek performanslı DUV-LED’lerin üretimi için yeni bir çözüm sağlar.
Introduction
AlN ve AlGaN DUV-LED’ler11,2,yaygın sterilizasyon, polimer kür, biyokimyasal algılama, non-line-of-sight iletişim ve özel aydınlatma3gibi çeşitli alanlarda kullanılan en önemli malzemelerdir 3 . Içsel substrateksikliği nedeniyle, MOCVD tarafından safir substratlar aln heteroepitaxi en yaygın teknik rota haline gelmiştir4. Ancak, AlN ve safir substrat arasındaki büyük kafes uyumsuzluğu stres birikimine yol açar5,6, yüksek yoğunluklu çıkıklar, ve istifleme hataları7. Böylece, LED’lerin iç kuantum verimliliğiazalır 8. Son yıllarda, aln epitaksial lateral overgrowth ikna etmek için substratolarak desenli safir kullanarak (PSS) (ELO) Bu sorunu çözmek için önerilmiştir. Buna ek olarak, aln şablonları9,10,,11büyüme büyük ilerleme yapılmıştır. Ancak, yüksek yüzey yapışma katsayısı ve yapıştırma enerjisi ile (AlN için 2.88 eV), Al atomları düşük atomik yüzey hareketliliği var, ve AlN büyüme üç boyutlu bir ada büyüme modu na sahip olma eğilimindedir12. Böylece, NPSS AlN filmlerin epitaksial büyüme zordur ve daha uzun büyüme süresi neden olur ve yüksek maliyetler gerektirir düz safir yüzeyler, daha yüksek birleştirme kalınlığı (3 μm üzerinde) gerektirir9.
Son zamanlarda, grafen sp2 hibrid karbon atomlarının altıgen düzenleme nedeniyle AlN büyüme için bir tampon tabaka olarak kullanmak için büyük bir potansiyel gösterir13. Buna ek olarak, grafen aln quasi-van der Waals epitaxy (QvdWE) uyumsuzluk etkisini azaltabilir ve AlN büyüme için yeni bir yol açtı14,15. Grafen kimyasal reaktivitesini artırmak için, Chen ve ark. bir tampon tabaka olarak N2-plazma tedavi grafen kullanılan ve yüksek kaliteli AlN ve GaN filmleri QvdWE tespit8, hangi bir tampon tabaka olarak grafen kullanımını göstermektedir.
N2-plazma işlenmiş grafen tekniğini ticari NPSS yüzeyleri ile birleştiren bu protokol, grafen-NPSS substratı üzerinde AlN’nin hızlı büyümesi ve birleştirilmesi için yeni bir yöntem sunar. Grafen-NPSS’deki AlN’nin tamamen birleşen kalınlığının 1 μm’den az olduğu ve epitaksial AlN tabakalarının yüksek kaliteli ve strese açık olduğu doğrulanmaktadır. Bu yöntem AlN şablon seri üretimi için yeni bir yol açar ve AlGaN tabanlı DUV-LED’lerin uygulanmasında büyük bir potansiyel gösterir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Şekil 1A’dagösterildiği gibi, NIL tekniği ile hazırlanan NPSS, 400 nm derinliğe, 1 μm desen süresine ve 300 nm genişliğe sahip nano-içbükey koni desenlerini göstermektedir. Grafen tabakasının APCVD büyümesinden sonra grafen-NPSS Şekil 1B’degösterilmiştir. Raman spektrumlu Şekil 1C’deki N-plazma tedavi grafeninin önemli artışlı D zirvesi RIE işlemi sırasın…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Çin Ulusal Temel Ar-Ge Programı (No. 2018YFB0406703), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (No. 61474109, 61527814, 11474274, 61427901) ve Pekin Doğa Bilimleri Vakfı (No. 41820633) tarafından finansal olarak desteklenmiştir.
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).
