(a) FWHMs XRCs av AlN epilager med olika tjocklekar odlade på Gr-buffrad safir. (b) Uppskattad DD för AlN-filmerna med och utan Gr-buffertskikt med olika tjocklekar. (c) DF-bilder av epitaxiell AlN/Gr/safir med g =[0002]. (d) HRTEM-bild av AlN/Gr/sapphire-gränssnittet. (e) Ramanspektra av AlN/Gr/safirstruktur som odlats. (f) Relativa Raman-förskjutningar av E2 (hög) av AlN med olika tillväxttjocklekar. Kredit:Hongliang Chang et al.
Det direkta bandgapet hos AlN-baserade material gör dem lämpliga för tillverkning av DUV optoelektroniska enheter, som har ett brett spektrum av användningsmöjligheter inom områdena härdning, vatten- och luftdesinfektion, medicin och biokemi. Därför är att uppnå en högkvalitativ epitaxi av AlN-filmer av särskild vikt för att säkerställa den utmärkta prestandan hos DUV-fotoelektriska enheter.
För närvarande, på grund av bristen på kostnadseffektiva homogena substrat, är det optimala valet för att odla AlN-filmer vanligtvis att utföra heteroepitaxiell tillväxt på safir. Tyvärr introducerar de inneboende oöverensstämmelserna mellan AlN och safirsubstrat oundvikligen en mängd olika kristallina defekter i AlN epilagret. I synnerhet leder den stora kvarvarande töjningen i AlN-filmen till olikformigheten i Al-fördelningen i det övre AlGaN-skiktet åtföljd av böjning av skivan, vilket kraftigt begränsar enhetens prestanda. Därför krävs en genomförbar strategi för att göra ett kvalitativt steg för att realisera högkvalitativ tillväxt av heteroepitaxiella AlN-filmer och för att uppfylla applikationskraven för DUV optoelektroniska enheter.
Under de senaste åren har en framväxande metod som heter kvasi-van der Waals (QvdW) epitaxi eller fjärrepitaxi baserad på tvådimensionellt (2D) material föreslagits för högkvalitativ heteroepitaxiell tillväxt av grupp III-nitrider. Som ett brett studerat 2D-material har grafen inkorporerats som ett buffertskikt för den epitaxiella tillväxten av nitrider för att effektivt lindra gallerfelpassningen och termisk obalans mellan epilagret och substratet. De tidigare rapporterna om den epitaxiella nitridfilmen på grafen angav vanligtvis att spänningsavslappningen av epitaxialsystemet realiserades genom den svaga interaktionen mellan grafen och epilager, men det saknas detaljerad diskussion eller rigorös verifiering av detta uttalande.
Nyligen har Dou et al. observerade den kemiska bindningsbildningen vid gränssnittet mellan direkt odlad grafen och safir genom aberrationskorrigerad transmissionselektronmikroskopi och fann den starka interaktionen mellan grafen och safir, vilket oundvikligen kommer att undergräva den traditionella uppfattningen om stressavslappning via svag vdW-interaktion mellan grafen och substrat . Därför förtjänar QvdW-epitaxmekanismen för AlN-filmer på grafen ytterligare utforskning, vilket är viktigt för att exakt manipulera kvaliteten på AlN-filmer och ytterligare höja prestandan hos DUV optoelektroniska enheter.
I en ny artikel publicerad i Light Science &Application , ett team av forskare, ledda av professor Tongbo Wei från Research and Development Center for Semiconductor Lighting Technology, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Peking, Kina, och medarbetare har framgångsrikt uppnått en högkvalitativ stamfri AlN-film genom Gr-driving strain-pre-store engineering och presenterade den unika mekanismen för strain-relaxation i QvdW epitaxi. Samtidigt kan den stamfria AlN-filmen odlad på grafen/safir användas som ett pålitligt malllager för högkvalitativ epitaxi av DUV-LED-enheter.
(a) Schematisk plot av koalescensen mellan två AlN nanotrådar och ytbindningslängderna. (b) Schematisk plot av koalescensen mellan två oändliga AlN-ytor och ytbindningslängderna. d//(Al-N) är bindningslängden av Al-N-bindningen som bildas av ytan Al- och N-atomer parallella med ytan, d//(Al) är bindningslängden för den parallella Al-N-bindningen som bildas av ytan Al och underytan N-atomen, och d//(N) är bindningslängden av den parallella Al-N-bindningen som bildas av ytan N och Al-atomen under ytan. Föreställningarna för vinkelräta bindningar är liknande. Underskrifterna e och c betecknar nanotrådens bindningar på kanten respektive nära hörnet. (c) Variationen av parallellbindningslängderna för nanotråd och oändlig yta som en funktion av separationsgapet. (d) Variationen av de vinkelräta bindningslängderna för nanotråd och oändliga ytor som en funktion av separationsgapet. Kredit:Hongliang Chang et al.
De sammanfattar höjdpunkterna i sin studie på följande sätt:
"Dislokationstätheten för AlN epilager med grafen uppvisar en onormal sågtandsliknande utveckling under QvdW epitaxiprocessen och värdena är konsekvent lägre än för bar safir. Slutligen gör grafen det möjligt för AlN-filmen att realisera en 62,6% minskning av dislokationstätheten .
"Beräkning av första principer introduceras för att klargöra mekanismen för grafen som reglerar töjningstillståndet för AlN-filmen. Det avslöjas att den plasmabehandlade grafenen kontrollerar den initiala kärnbildningsmorfologin för AlN för att förlagra tillräcklig dragpåkänning i epilagret för att kompensera för den trycktöjning som orsakas av gitter och termisk obalans under heteroepitaxi, vilket ger en spänningsfri AlN-film.
"Den ömsesidiga utrymmeskartläggningen av den tillverkade DUV-LED avslöjar en svag kompressionspåkänning i 1,8 μm n-AlGaN-skiktet, vilket indikerar att den töjningsfria AlN-filmen som ett pålitligt mallskikt möjliggör det högkvalitativa kristallina tillståndet hos den övre LED epitaxiell struktur.
"Den tillverkade 283 nm DUV LED med grafen uppvisar 2,1 gånger högre ljuseffekt jämfört med sin motsvarighet på bar safir och gynnsam stabilitet av ljusvåglängd under ett strömområde från 10 mA till 80 mA, vilket tillskrivs den bättre kristallkvaliteten med en svag kvarvarande stam av den epitaxiella strukturen baserad på grafen.
"Detta arbete avslöjar den interna mekanismen för QvdW-tillväxt av nitrid för att förbättra den epitaxiella kvaliteten på substrat som inte passar ihop och kastar utan tvekan ljus över den ytterligare främjandet av nitridbaserad tillverkning av enheter." + Utforska vidare
