Grafeen-aansturende spanningstechniek om spanningsvrije epitaxie van AlN-film mogelijk te maken voor diepe ultraviolette lichtgevende diode

De directe bandafstand van op AlN gebaseerde materialen maakt ze geschikt voor het vervaardigen van opto-elektronische DUV-apparaten, die een breed scala aan toepassingsmogelijkheden hebben op het gebied van uitharding, water- en luchtdesinfectie, geneeskunde en biochemie. Daarom is het bereiken van een hoogwaardige epitaxie van AlN-films van bijzonder belang om de uitstekende prestaties van DUV-foto-elektrische apparaten te garanderen.

Momenteel is, vanwege het ontbreken van kosteneffectieve homogene substraten, de optimale keuze om AlN-films te laten groeien meestal om hetero-epitaxiale groei op saffier uit te voeren. Helaas introduceren de inherente mismatches tussen AlN en saffiersubstraat onvermijdelijk een verscheidenheid aan kristallijne defecten in de AlN-epilaag. In het bijzonder leidt de grote restspanning in de AlN-film tot de niet-uniformiteit van de Al-verdeling in de bovenste AlGaN-laag, vergezeld van waferbuiging, wat de prestaties van het apparaat ernstig beperkt. Daarom is een haalbare strategie vereist om een ​​kwalitatieve sprong te maken om een ​​hoogwaardige groei van heteroepitaxiale AlN-films te realiseren en om te voldoen aan de toepassingsvereisten van DUV-opto-elektronische apparaten.

In de afgelopen jaren is een opkomende methode met de naam quasi-van der Waals (QvdW) epitaxie of epitaxie op afstand op basis van tweedimensionaal (2D) materiaal voorgesteld voor hoogwaardige hetero-epitaxiale groei van groep-III-nitriden. Als een veel bestudeerd 2D-materiaal is grafeen opgenomen als een bufferlaag voor de epitaxiale groei van nitriden om de roostermismatch en thermische mismatch tussen de epilaag en het substraat effectief te verminderen. De eerdere rapporten van de epitaxiale nitridefilm op grafeen stelden meestal dat de spanningsrelaxatie van het epitaxiale systeem werd gerealiseerd door de zwakke interactie tussen grafeen en epilagen, maar er is een gebrek aan gedetailleerde discussie of rigoureuze verificatie van deze verklaring.

Onlangs hebben Dou et al. observeerde de vorming van chemische bindingen op het grensvlak tussen het direct gegroeide grafeen en saffier door aberratie-gecorrigeerde transmissie-elektronenmicroscopie en vond de sterke interactie tussen grafeen en saffier, die onvermijdelijk de traditionele perceptie van spanningsrelaxatie zal ondermijnen via zwakke vdW-interactie tussen grafeen en substraat . Daarom verdient het QvdW-epitaxiemechanisme van AlN-films op grafeen verdere verkenning, wat essentieel is om de kwaliteit van AlN-films nauwkeurig te manipuleren en de prestaties van DUV-opto-elektronische apparaten verder te verbeteren.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassing, heeft een team van wetenschappers, onder leiding van professor Tongbo Wei van Research and Development Center for Semiconductor Lighting Technology, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Peking, China, en medewerkers met succes een hoogwaardige spanningsvrije AlN-film bereikt door middel van Gr-driving strain-pre-store engineering en presenteerde het unieke mechanisme van strain-relaxation in QvdW-epitaxie. Ondertussen kan de spanningsvrije AlN-film die op grafeen/saffier is gekweekt, worden gebruikt als een betrouwbare sjabloonlaag voor hoogwaardige epitaxie van DUV-LED-apparaten.

Ze vatten de hoogtepunten van hun onderzoek als volgt samen:

“De dislocatiedichtheid van de AlN-epilaag met grafeen vertoont een abnormale zaagtandachtige evolutie tijdens het QvdW-epitaxieproces en de waarden zijn consistent lager dan die van kale saffier. Ten slotte stelt grafeen de AlN-film in staat om een ​​afname van 62,6% van de dislocatiedichtheid te realiseren .

“Berekening van de eerste principes wordt geïntroduceerd om het mechanisme van grafeen dat de spanningstoestand van de AlN-film reguleert op te helderen. Het is onthuld dat het met plasma behandelde grafeen de initiële nucleatiemorfologie van AlN regelt om vooraf voldoende trekspanning in de epilaag op te slaan om te compenseren voor de compressieve spanning veroorzaakt door rooster en thermische mismatch tijdens hetero-epitaxy, waardoor een spanningsvrije AlN-film naar voren komt.

“Het wederzijdse in kaart brengen van de ruimte van de als gefabriceerde DUV-LED onthult een zwakke drukspanning in de 1,8 m n-AlGaN-laag, wat aangeeft dat de spanningsvrije AlN-film als een betrouwbare sjabloonlaag de hoogwaardige kristallijne toestand van de bovenste laag mogelijk maakt. LED epitaxiale structuur.

“De as-fabricated 283 nm DUV LED met grafeen vertoont een 2,1 keer hoger lichtopbrengstvermogen in vergelijking met zijn tegenhanger op kale saffier en gunstige stabiliteit van de lichtgolflengte onder een stroombereik van 10 mA tot 80 mA, wat wordt toegeschreven aan de betere kristalkwaliteit met een zwakke restspanning van de epitaxiale structuur op basis van grafeen.

“Dit werk onthult het interne mechanisme van QvdW-groei van nitride om de epitaxiale kwaliteit op grote niet-overeenkomende substraten te verbeteren en werpt ongetwijfeld licht op de verdere promotie van op nitride gebaseerde apparaatproductie.”