Afslører effekten af ​​AIN-overfladegruber på GaN fjernepitaxi

Fjernepitaxi har fået opmærksomhed inden for halvlederfremstilling til dyrkning af tynde film, der kopierer skabelonens krystalstruktur, som senere kan eksfolieres for at danne fritstående membraner. Imidlertid kan barske epitaksiforhold ofte forårsage skade på skabelonmaterialerne, såsom i tilfælde af fjernepitaxi af GaN tynde film, lovende materialer til lysemitterende dioder, fotodetektorer og strømelektroniske enheder på grafen/AlN-skabeloner.

GaN remote heteroepitaxy er ikke blevet opnået ved en standard metal-organisk kemisk dampaflejring (MOCVD) teknik på grund af de høje temperaturer involveret i processen. Det er blevet rapporteret, at grafen placeret på et substrat i et ekstremt miljø, såsom høj temperatur eller brug af en aktiv gas i MOCVD, bliver beskadiget på grund af kemisk ustabilitet, hvilket forårsager manglende eksfoliering af dyrkede GaN-film.

På denne baggrund har et team af forskere ledet af Dong-Seon Lee, leder af afdelingen for halvlederteknik og professor ved School of Electrical Engineering and Computer Science ved Gwangju Institute of Science and Technology, for nylig brugt fjern epitaksi til at dyrke GaN tynde film på grafen/AlN-skabeloner af MOCVD og undersøgte effekten af ​​overfladegruber i AlN på væksten og eksfolieringen af ​​disse tynde film.

Deres papir blev udgivet i ACS Nano .

Forskerne udførte først en udglødningstest ved 950 °C i 5 minutter for at kontrollere den termiske stabilitet af grafen på AlN. Baseret på resultaterne udviklede de en to-trins proces til at dyrke GaN tynde film på skabelonen af ​​MOCVD. Den første GaN-vækst fandt sted ved 750 °C i 10 minutter, hvorefter den anden vækst blev udført ved 1050 °C i 60 minutter.

Eksfolieringen af ​​de således dyrkede GaN tynde film blev brugt som et bevis på succesen med fjernepitaxiprocessen. Mens filmene dyrket ved 750 °C kunne eksfolieres med succes, mislykkedes adskillelsen efter væksten i andet trin.

Efter en dybere analyse fandt holdet, at gruberne i nanostørrelse på AlN-overfladen førte til nedbrydning af grafen i nærheden af ​​dem ved højere temperaturer, hvilket ændrede vækstmåderne for GaN-tynde film. Som et resultat blev GaN direkte bundet til AlN-substratet, hvilket forårsagede svigt af filmeksfoliering.

"Gennem denne undersøgelse afslørede vi for første gang, at strukturelle problemer i substratet også kan forårsage afskalningsfejl. Disse resultater eksemplificerer vigtigheden af ​​skabeloners kemiske og topografiske egenskaber for vellykket fjernepitaxi," siger prof. Lee.

Denne undersøgelse giver de primære eksperimentelle data, der understøtter den stabile implementering af udviklingen af ​​fjern epitaksi. Da man bliver spurgt om implikationerne af det nuværende arbejde, siger prof. Lee:"I den nærmeste fremtid forventes GaN fjernepitaxiimplementering at levere højkvalitets GaN-halvledere, der kræves til elbilindustrien. Da substratgenanvendelse er mulig, forventes det at at ændre det store billede af den eksisterende halvlederindustri. Yderligere vil det være muligt at overvinde Moores lov."

Flere oplysninger: Hoe-Min Kwak et al., Stabilitet af grafen og indflydelse af AlN overfladegruber på GaN Remote Heteroepitaxy for Exfoliation, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c02565

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af GIST (Gwangju Institute of Science and Technology)