Graphen-drivende strain engineering til at muliggøre belastningsfri epitaksi af AlN-film til dyb ultraviolet lysdiode

Det direkte båndgab af AlN-baserede materialer gør dem velegnede til fremstilling af DUV optoelektroniske enheder, som har en bred vifte af anvendelsesmuligheder inden for hærdning, vand- og luftdesinfektion, medicin og biokemi. Derfor er opnåelse af en højkvalitets epitaksi af AlN-film af særlig betydning for at sikre den fremragende ydeevne af DUV-fotoelektriske enheder.

I øjeblikket, på grund af manglen på omkostningseffektive homogene substrater, er det optimale valg til at dyrke AlN-film normalt at udføre heteroepitaksial vækst på safir. Desværre introducerer de iboende uoverensstemmelser mellem AlN og safirsubstrat uundgåeligt en række krystallinske defekter i AlN epilaget. Især fører den store resterende belastning i AlN-filmen til uensartetheden af ​​Al-fordelingen i det øvre AlGaN-lag ledsaget af waferbøjning, hvilket i høj grad begrænser enhedens ydeevne. Derfor kræves der en gennemførlig strategi for at tage et kvalitativt spring for at realisere højkvalitetsvækst af heteroepitaksiale AlN-film og for at opfylde anvendelseskravene for DUV optoelektroniske enheder.

I de senere år er der blevet foreslået en ny metode kaldet quasi-van der Waals (QvdW) epitaksi eller fjern epitaksi baseret på todimensionelt (2D) materiale til højkvalitets heteroepitaksial vækst af gruppe III-nitrider. Som et bredt undersøgt 2D-materiale er grafen blevet inkorporeret som et bufferlag til den epitaksielle vækst af nitrider for effektivt at lindre gittermismatch og termisk mismatch mellem epilaget og substratet. De tidligere rapporter om den epitaksiale nitridfilm på grafen erklærede normalt, at spændingsafslapningen af ​​epitaksialsystemet blev realiseret gennem den svage interaktion mellem grafen og epilag, men der mangler en detaljeret diskussion eller streng verifikation af denne erklæring.

For nylig har Dou et al. observerede den kemiske bindingsdannelse ved grænsefladen mellem den direkte dyrkede grafen og safir ved aberrationskorrigeret transmissionselektronmikroskopi og fandt den stærke interaktion mellem grafen og safir, som uundgåeligt vil undergrave den traditionelle opfattelse af stressafslapning via svag vdW interaktion mellem grafen og substrat . Derfor fortjener QvdW-epitaksimekanismen for AlN-film på grafen yderligere udforskning, hvilket er afgørende for præcist at manipulere kvaliteten af ​​AlN-film og øge ydeevnen af ​​DUV optoelektroniske enheder yderligere.

I et nyt papir offentliggjort i Light Science &Application , et team af videnskabsmænd, ledet af professor Tongbo Wei fra Research and Development Center for Semiconductor Lighting Technology, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing, Kina, og kolleger har med succes opnået en højkvalitets belastningsfri AlN-film gennem Gr-driving strain-pre-store engineering og præsenterede den unikke mekanisme for strain-relaxation i QvdW epitaksi. I mellemtiden kan den belastningsfrie AlN-film dyrket på grafen/safir bruges som et pålideligt skabelonlag til højkvalitets epitaksi af DUV-LED-enheder.

De opsummerer højdepunkterne i deres undersøgelse som følger:

"Dislokationstætheden af ​​AlN epilag med grafen udviser en unormal savtandslignende udvikling under QvdW-epitaksiprocessen, og værdierne er konsekvent lavere end værdierne for bar safir. Endelig gør grafen det muligt for AlN-filmen at realisere et 62,6% fald i dislokationstætheden .

"First-principles-beregning introduceres for at belyse mekanismen for grafen, der regulerer belastningstilstanden af ​​AlN-filmen. Det afsløres, at den plasmabehandlede grafen kontrollerer den indledende nukleationsmorfologi af AlN for at forlagre tilstrækkelig trækbelastning i epilaget til at kompensere for kompressionsbelastningen forårsaget af gitter og termisk mismatch under heteroepitaxi, hvilket bringer en belastningsfri AlN-film frem.

"Den gensidige rumkortlægning af den fremstillede DUV-LED afslører en svag kompressionsbelastning i det 1,8 μm n-AlGaN-lag, hvilket indikerer, at den belastningsfrie AlN-film som et pålideligt skabelonlag muliggør den krystallinske tilstand af høj kvalitet af det øvre lag. LED epitaksial struktur.

"Den fremstillede 283 nm DUV LED med grafen udviser 2,1 gange højere lysudgangseffekt sammenlignet med dens modstykke på bar safir og gunstig stabilitet af lysende bølgelængde under et strømområde fra 10 mA til 80 mA, hvilket tilskrives den bedre krystalkvalitet med en svag reststamme af den epitaksiale struktur baseret på grafen.

"Dette arbejde afslører den interne mekanisme for QvdW-vækst af nitrid for at forbedre den epitaksiale kvalitet på store mismatchede substrater og kaster utvivlsomt lys over den yderligere promovering af nitrid-baseret enhedsfremstilling." + Udforsk yderligere

Grafenkrystaller vokser bedre under kobberdækning