Grafeen-Geassisteerde Quasi-van der Waals Epitaxy van AlN Film op Nano-Patroon Sapphire Substraat voor Ultraviolet Light Emitting Diodes
Summary
Een protocol voor grafeen-ondersteunde groei van hoogwaardige AlN-films op saffiersubstraat met nanopatroon wordt gepresenteerd.
Abstract
Dit protocol toont een methode voor grafeen-ondersteunde snelle groei en coalescence van AlN op nano-pattened saffier substraat (NPSS). Grafeenlagen worden direct op NPSS gekweekt met behulp van katalysatorvrije atmosferische druk chemische dampdepositie (APCVD). Door het toepassen van stikstof reactieve ionen etching (RIE) plasmabehandeling, worden defecten geïntroduceerd in de grafeenfilm om chemische reactiviteit te verbeteren. Tijdens de metaal-organische chemische dampdepositie (MOCVD) groei van AlN, deze N-plasma behandelde grafeen buffer maakt AlN snelle groei, en coalescence op NPSS wordt bevestigd door cross-sectionele scanning elektronenmicroscopie (SEM). De hoge kwaliteit van AlN op grafeen-NPSS wordt vervolgens geëvalueerd door röntgencurven (XRC’s) met smalle (0002) en (10-12) volledige breedte bij half-maximum (FWHM) als respectievelijk 267,2 arcsec en 503,4 arcsec. Vergeleken met kale NPSS laat de AlN-groei op grafeen-NPSS een aanzienlijke vermindering van reststress zien van 0,87 GPa naar 0,25 Gpa, op basis van Raman-metingen. Gevolgd door AlGaN meerdere quantum putten (MQWS) groei op grafeen-NPSS, AlGaN-gebaseerde diepe ultraviolet licht-emitterende diodes (DUV LED’s) worden vervaardigd. De gefabriceerde DUV-LED’s tonen ook duidelijke, verbeterde luminescentieprestaties. Dit werk biedt een nieuwe oplossing voor de groei van hoge kwaliteit AlN en fabricage van high performance DUV-LED’s met behulp van een korter proces en minder kosten.
Introduction
AlN en AlGaN zijn de meest essentiële materialen in DUV-LED’s1,2, 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 accumulatie5,6, hoge dichtheid dislocaties, en stapelen fouten7. Zo wordt de interne kwantumefficiëntie van LED’s verminderdmet 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-sjablonen9,10,11. 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-groei14,15. 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 N2-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.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zoals blijkt uit figuur 1A,illustreert de NPSS die door de NIL-techniek wordt bereid de nano-concave kegelpatronen met een diepte van 400 nm, een patroonperiode van 1 μm en een breedte van 300 nm van de unetched-gebieden. Na de APCVD-groei van grafeenlaag wordt het grafeen-NPSS weergegeven in figuur 1B. De aanzienlijk verhoogde D-piek van N-plasma behandeld grafeen in Raman spectra Figuur 1…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd financieel ondersteund door het National Key R&D Program of China (Nr. 2018YFB0406703), de National Natural Science Foundation of China (Nr. 61474109, 61527814, 11474274, 61427901) en de 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).
