Графен-помощник Квази-ван дер Ваальс Эпитакси из AlN фильм на нано-узорчатый сапфир субстрат для ультрафиолетового света излучающих диодов
Summary
Представлен протокол для графенового роста высококачественных пленок AlN на нано-узорчатом сапфировом субстрате.
Abstract
Этот протокол демонстрирует метод быстрого роста и объединения AlN при поддержке графена на нанопатенированном сапфировом субстрате (NPSS). Слои графена непосредственно выращиваются на NPSS с использованием без катализатора химического осаждения паров атмосферного давления (APCVD). Применяя азот реактивного иона травл (RIE) плазмы лечения, дефекты вводятся в графеновую пленку для повышения химической реактивности. Во время металлоорганических химических осаждений пара (MOCVD) рост AlN, это N-плазменный обработанный графеновый буфер позволяет AlN быстрый рост, и слияние на NPSS подтверждается поперечного сканирования электронной микроскопии (SEM). Высокое качество AlN на графен-NPSS затем оценивается рентгеновских кривых укачивания (XRCs) с узкой (0002) и (10-12) полной шириной на полу-максимум (FWHM) как 267,2 дуги и 503,4 дуговой соответственно. По сравнению с голыми NPSS, alN рост на графен-NPSS показывает значительное снижение остаточного стресса с 0,87 GPa до 0,25 Гпа, на основе измерений Рамана. Вслед за AlGaN несколько квантовых скважин (МЗВС) рост на графен-NPSS, AlGaN основе глубоких ультрафиолетовых светоизлучающих диодов (DUV светодиоды) производятся. Изготовленные DUV-LED также демонстрируют очевидную, улучшенную производительность люминесценции. Эта работа обеспечивает новое решение для роста высококачественных AlN и изготовления высокопроизводительных DUV-LED с использованием более короткого процесса и меньших затрат.
Introduction
AlN и AlGaN являются наиболее важными материалами в DUV-LEDs1,2,которые широко используются в различных областях, таких как стерилизация, лечение полимеров, биохимическое обнаружение, нелинейная связь, и специальное освещение3. Из-за отсутствия внутренних субстратов, AlN гетероэпитаксисия на сапфировых субстратах MOCVD стала наиболее распространенным техническим маршрутом4. Тем не менее, большая решетка несоответствие между AlN и сапфировым субстратом приводит к накоплению стресса5,,6, высокой плотности дислокаций, и укладки неисправностей7. Таким образом, внутренняя квантовая эффективность светодиодов снижаетсяна 8. В последние десятилетия, используя узорчатый сапфир в качестве субстратов (PSS) для индуцирования эпитаксиального бокового разрастания AlN (ELO) было предложено решить эту проблему. Кроме того, был достигнут большой прогресс в росте шаблонов AlN9,,10,,11. Однако, с высоким коэффициентом сцепления поверхности и энергией склеивания (2.88 eV для AlN), атомы Al имеют низкую подвижность атомной поверхности, и рост AlN имеет трехмерный режим роста острова12. Таким образом, эпитаксиальный рост пленок AlN на NPSS затруднен и требует более высокой толщины коалесценции (более 3 мкм), чем на плоских сапфировых субстратах, что приводит к увеличению времени роста и требует высоких затрат9.
В последнее время графен показывает большой потенциал для использования в качестве буферного слоя для роста AlN из-за его шестиугольного расположения sp2 гибридизированных атомов углерода13. Кроме того, квази-ван дер Ваалс эпитаксисия (ЗвдВЕ) AlN на графен может уменьшить эффект несоответствия и проложил новый путь для роста AlN14,15. Чтобы увеличить химическую реактивность графена, Чэнь и др. использовали N2-плазмуобработанного графена в качестве буферного слоя и определили звwe высококачественных пленок AlN и GaN8, что демонстрирует использование графена в качестве буферного слоя.
Сочетая N2-плазменныйобработанный графеновый технику с коммерческими субстратами NPSS, этот протокол представляет собой новый метод быстрого роста и объединения AlN на графен-NPSS субстрате. Полностью сливаются толщина AlN на графен-NPSS, как утверждается, меньше, чем 1 мкм, а эпитаксиальные слои AlN имеют высокое качество и стресс-освобождены. Этот метод прокладывает новый путь для массового производства шаблонов AlN и показывает большой потенциал в применении ALGaN-leV-LEDs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Как показано на рисунке 1A, NPSS, подготовленный методом NIL, иллюстрирует нано-вогнутые конусные узоры с глубиной 400 нм, 1 мкм периода шаблона и шириной 300 нм неотретимых областей. После роста APCVD графенового слоя графен-NPSS показан на рисунке 1B.</stro…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была финансово поддержана Национальной ключевой программой НИОКР Китая (No 2018YFB0406703), Национальным фондом естественных наук Китая (No 61474109, 61527814, 11474274, 61427901) и Пекинским научным фондом (No 418206)
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).
