Grafeen-Geassisteerde Quasi-van der Waals Epitaxy van AlN Film op Nano-Patroon Sapphire Substraat voor Ultraviolet Light Emitting Diodes

AlN en AlGaN zijn de meest essentiële materialen in DUV-LED’s^1,2, die op grote schaal zijn gebruikt op verschillende gebieden zoals sterilisatie, polymeer uitharding, biochemische detectie, non-line-of-sight communicatie, en speciale verlichting³. Door het gebrek aan intrinsieke substraten is AlN heteroepitaxy op saffiersubstraten van MOCVD uitgegroeid tot de meest voorkomende technische route⁴. Echter, de grote rooster mismatch tussen AlN en saffier substraat leidt tot stress accumulatie^5,6, hoge dichtheid dislocaties, en stapelen fouten⁷. Zo wordt de interne kwantumefficiëntie van LED’s verminderd^{met 8}. In de afgelopen decennia is voorgesteld om dit probleem op te lossen door saffier met patroon als substraten (PSS) te gebruiken om AlN epitaxiale laterale overgroei (ELO) op te wekken. Daarnaast is er grote vooruitgang geboekt bij de groei van AlN-sjablonen^9,10,11. Echter, met een hoge oppervlakte hechtingscoëfficiënt en binding energie (2,88 eV voor AlN), Al atomen hebben een lage atomaire oppervlakte mobiliteit, en de groei van AlN heeft de neiging om een driedimensionale eiland groei modus¹². Zo is de epitaxiale groei van AlN-films op NPSS moeilijk en vereist een hogere coalescentiedikte (meer dan 3 μm) dan die op platte saffiersubstraten, wat zorgt voor langere groeitijd en hoge kosten vereist⁹.

Onlangs, grafeen toont een groot potentieel voor gebruik als een bufferlaag voor AlN groei als gevolg van de zeshoekige regeling van sp² gehybridiseerde koolstofatomen¹³. Bovendien kan de quasi-van der Waals epitaxy (QvdWE) van AlN op grafeen het mismatch-effect verminderen en een nieuwe weg vrijmaken voor AlN-groei^14,15. Om de chemische reactiviteit van grafeen te verhogen, gebruikten Chen et al. N₂-plasma behandeld grafeen als bufferlaag en bepaalden de QvdWE van hoogwaardige AlN- en GaN-films⁸, wat het gebruik van grafeen als bufferlaag aantoont.

Door de N_2-plasmabehandelde grafeentechniek te combineren met commerciële NPSS substraten, presenteert dit protocol een nieuwe methode voor snelle groei en coalescence van AlN op een grafeen-NPSS substraat. De volledig samensmelten dikte van AlN op grafeen-NPSS is bevestigd dat minder dan 1 μm, en de epitaxiale AlN lagen zijn van hoge kwaliteit en stress-vrijgegeven. Deze methode effent een nieuwe manier voor AlN template massaproductie en toont een groot potentieel in de toepassing van AlGaN-gebaseerde DUV-LED’s.