Fjärrepitaxi har fått uppmärksamhet inom halvledartillverkning för att odla tunna filmer som kopierar mallens kristallstruktur, som senare kan exfolieras för att bilda fristående membran. Emellertid kan hårda epitaxiförhållanden ofta orsaka skador på mallmaterialen, till exempel i fallet med avlägsna epitaxi av GaN-tunna filmer, lovande material för lysdioder, fotodetektorer och kraftelektroniska enheter, på grafen/AlN-mallar.
GaN fjärrhetereroepitaxi har inte uppnåtts med en standardteknik för metall-organisk kemisk ångavsättning (MOCVD) på grund av de höga temperaturer som är involverade i processen. Det har rapporterats att grafen som placeras på ett substrat i en extrem miljö som hög temperatur eller användning av en aktiv gas i MOCVD skadas på grund av kemisk instabilitet, vilket gör att odlade GaN-filmer misslyckas med att exfoliera.
Mot denna bakgrund har ett team av forskare under ledning av Dong-Seon Lee, chef för avdelningen för halvledarteknik och professor vid School of Electrical Engineering and Computer Science vid Gwangju Institute of Science and Technology, nyligen använt fjärrepitaxi för att växa GaN tunna filmer på grafen/AlN-mallar av MOCVD och undersökte effekten av ytgropar i AlN på tillväxten och exfolieringen av dessa tunna filmer.
Deras artikel publicerades i ACS Nano .
Forskarna utförde först ett glödgningstest vid 950 °C i 5 minuter för att kontrollera den termiska stabiliteten av grafen på AlN. Baserat på dess resultat utvecklade de en tvåstegsprocess för att odla GaN-tunna filmer på mallen av MOCVD. Den första GaN-tillväxten skedde vid 750 °C i 10 minuter, varefter den andra tillväxten utfördes vid 1050 °C under 60 minuter.
Exfolieringen av de sålunda odlade GaN-tunna filmerna användes som ett bevis på framgången för den avlägsna epitaxiprocessen. Medan filmerna odlade vid 750 °C kunde exfolieras framgångsrikt, misslyckades separationen efter det andra stegets tillväxt.
Efter djupare analys fann teamet att gropar i nanostorlek på AlN-ytan ledde till nedbrytning av grafen nära dem vid högre temperaturer, vilket förändrade tillväxtsätten för GaN-tunna filmer. Som ett resultat band GaN direkt med AlN-substratet, vilket orsakade misslyckande med filmexfoliering.
"Genom den här studien avslöjade vi för första gången att strukturella problem i substratet också kan orsaka avskalningsfel. Dessa resultat exemplifierar vikten av kemiska och topografiska egenskaper hos mallar för framgångsrik fjärrepitaxi", säger Prof. Lee.
Denna studie tillhandahåller de primära experimentella data som stöder en stabil implementering av utvecklingen av fjärrepitaxi. På frågan om implikationerna av det nuvarande arbetet, säger Prof. Lee:"Inom en nära framtid förväntas implementering av GaN fjärrepitaxi tillhandahålla högkvalitativa GaN-halvledare som krävs för elfordonsindustrin. Eftersom substratåtervinning är möjlig förväntas det för att förändra den stora bilden av den befintliga halvledarindustrin. Vidare kommer det att vara möjligt att övervinna Moores lag."
Mer information: Hoe-Min Kwak et al, Stabilitet av grafen och inflytande av AlN Surface Pits på GaN Remote Heteroepitaxy for Exfoliation, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c02565
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av GIST (Gwangju Institute of Science and Technology)
