पराबैंगनी प्रकाश उत्सर्जक डायोड के लिए नैनो-पैटर्न वाले नीलमणि सब्सट्रेट पर एएलएन फिल्म के ग्राफीन-असिस्टेड क्वासी-वैन डेर वाल्स एपिटैक्सी

* These authors contributed equally
JoVE Journal
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

नैनो पैटर्न वाले नीलम सब्सट्रेट पर उच्च गुणवत्ता वाली एएलएन फिल्मों के ग्राफीन-असिस्टेड विकास के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया गया है।

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Zhang, X., Chen, Z., Chang, H., Yan, J., Yang, S., Wang, J., Gao, P., Wei, T. Graphene-Assisted Quasi-van der Waals Epitaxy of AlN Film on Nano-Patterned Sapphire Substrate for Ultraviolet Light Emitting Diodes. J. Vis. Exp. (160), e60167, doi:10.3791/60167 (2020).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

यह प्रोटोकॉल नैनो-खड़ा नीलमणि सब्सट्रेट (एनपीएस) पर अलएन के ग्राफीन-असिस्टेड क्विक ग्रोथ और कोनेसेंस के लिए एक विधि को दर्शाता है । ग्राफीन परतें सीधे उत्प्रेरक मुक्त वायुमंडलीय दबाव रासायनिक वाष्प जमाव (एपीसीवीडी) का उपयोग करके एनपीएस पर उगाई जाती हैं। नाइट्रोजन प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (RIE) प्लाज्मा उपचार लागू करके, दोषों को रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता बढ़ाने के लिए ग्राफीन फिल्म में पेश किया जाता है। एएलएन के धातु-कार्बनिक रासायनिक वाष्प जमाव (एमओसीवीडी) विकास के दौरान, यह एन-प्लाज्मा उपचारित ग्राफीन बफर एएलएन त्वरित विकास को सक्षम बनाता है, और एनपीएसएस पर संविलियन की पुष्टि क्रॉस-सेक्शनल स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) द्वारा की जाती है। ग्राफीन-एनपीएसएस पर एएलएन की उच्च गुणवत्ता का मूल्यांकन एक्स-रे रॉकिंग वक्र्स (एक्सआरसी) द्वारा संकीर्ण (0002) और (10-12) पूर्ण चौड़ाई के साथ क्रमशः 267.2 आर्कसेक और 503.4 सेकेंड आर्क के रूप में किया जाता है। नंगे एनपीएस की तुलना में, ग्राफीन-एनपीएसएस पर एएलएन वृद्धि रमन मापन के आधार पर अवशिष्ट तनाव को 0.87 जीपीए से 0.25 जीपीए तक महत्वपूर्ण कमी दिखाती है। इसके बाद ग्राफीन-एनपीएसएस पर अल्गेन मल्टीपल क्वांटम वेल्स (एमक्यूडब्ल्यूएस) ग्रोथ, अल्जीएन बेस्ड डीप अल्ट्रावाइलेट लाइट-एमिटिंग-डायोड (DUV एलईडी) गढ़े गए हैं । गढ़े DUV-एलईडी भी स्पष्ट, बढ़ाया चिकनाई प्रदर्शन प्रदर्शित करता है । यह काम उच्च गुणवत्ता वाले एएलएन के विकास और एक छोटी प्रक्रिया और कम लागत का उपयोग करके उच्च प्रदर्शन DUV-एलईडी के निर्माण के लिए एक नया समाधान प्रदान करता है।

Introduction

एएलएन और अल्गेन DUV-एलईडी1,,2में सबसे आवश्यक सामग्री हैं, जिनका व्यापक रूप से नसबंदी, बहुलक इलाज, जैव रासायनिक पता लगाने, गैर-लाइन-ऑफ-दृष्टि संचार और विशेष प्रकाश व्यवस्था3जैसे विभिन्न क्षेत्रों में उपयोग किया गया है। आंतरिक सब्सट्रेट्स की कमी के कारण, एमओसीवीडी द्वारा नीलम सब्सट्रेट्स पर एएलएन हेट्रोपिटैक्सी सबसे आम तकनीकी मार्ग बन गया है4। हालांकि, एएलएन और नीलम सब्सट्रेट के बीच बड़ी जाली बेमेल होने से तनाव संचय5,,6,उच्च घनत्व वाले अव्यवस्थाएं और स्टैकिंग दोष होते हैं7. इस प्रकार, एलईडी की आंतरिक मात्रा दक्षता8कम हो जाती है। हाल के दशकों में, इस समस्या को हल करने के लिए ALN epitaxial पार्श्व अतिवृद्धि (ELO) को प्रेरित करने के लिए सब्सट्रेट्स (पीएसएस) के रूप में पैटर्नेड नीलम का उपयोग करने का प्रस्ताव किया गया है । इसके अलावा,,एएलएन टेम्पलेट्स9,10,11के विकास में काफी प्रगति हुई है।, हालांकि, एक उच्च सतह आसंजन गुणांक और संबंध ऊर्जा (AlN के लिए 2.88 ईवी) के साथ, अल परमाणुओं में कम परमाणु सतह गतिशीलता होती है, और एएलएन के विकास में त्रि-आयामी द्वीप विकास मोड12होता है। इस प्रकार, एनपीएसएस पर एएलएन फिल्मों का एपिटैक्सियल विकास मुश्किल है और फ्लैट नीलम सब्सट्रेट्स पर उच्च समूचे मोटाई (3 माइक्रोन से अधिक) की आवश्यकता होती है, जो लंबे समय तक विकास के समय का कारण बनती है और उच्च लागत9की आवश्यकता होती है।

हाल ही में, ग्राफीन एसपी2 संकरित कार्बन परमाणुओं13की षट्कोणीय व्यवस्था के कारण एएलएन विकास के लिए बफर लेयर के रूप में उपयोग की अपार संभावनाएं दिखाती है। इसके अलावा, ग्राफीन पर एएलएन के अर्ध-वैन डेर वाल्स एपिटैक्सी (क्यूवीडीडब्ल्यूई) बेमेल प्रभाव को कम कर सकते हैं और एएलएन विकास14,,15के लिए एक नया मार्ग प्रशस्त किया है। ग्राफीन की रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता को बढ़ाने के लिए, चेन एट अल ने एन2-प्लाज्माका उपयोग एक बफर परत के रूप में ग्राफीन का इलाज किया और उच्च गुणवत्ता वाले एएलएन और जीएएन फिल्मों8के QvdWE को निर्धारित किया, जो एक बफर परत के रूप में ग्राफीन के उपयोग को दर्शाता है।

वाणिज्यिक एनपीएस एसेस्ट्रेट के साथ एन2-प्लाज्माउपचारित ग्राफीन टेक्निक का संयोजन, यह प्रोटोकॉल ग्राफीन-एनपीएस सब्सट्रेट पर एएलएन के त्वरित विकास और संयोजन के लिए एक नई विधि प्रस्तुत करता है। ग्राफीन-एनपीएसएस पर एएलएन की पूरी तरह से मोटाई 1 माइक्रोन से कम होने की पुष्टि की जाती है, और एपिटैक्सियल एएलएन परतें उच्च गुणवत्ता और तनाव-जारी की जाती हैं। यह विधि AlN टेम्पलेट बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए एक नया तरीका प्रशस्त करती है और अल्जीएन-आधारित DUV-एलईडी के आवेदन में काफी क्षमता दिखाती है।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

सावधानी: इन तरीकों में उपयोग किए जाने वाले कई रसायन तीव्रता से जहरीले और कैंसरजनक होते हैं। उपयोग से पहले सभी प्रासंगिक सामग्री सुरक्षा डेटा शीट (एमएसडीएस) से परामर्श करें।

1. नैनोइमप्रिंट लिथोग्राफी (शून्य) द्वारा एनपीएस की तैयारी

  1. एसआईओ2 फिल्म का जमाव
    1. 2 "सी-प्लेन फ्लैट नीलम सब्सट्रेट को इथेनॉल के साथ धोएं और उसके बाद तीन बार पानी को डिवोनाइज्ड करें।
    2. नाइट्रोजन बंदूक के साथ सब्सट्रेट को सुखाएं।
    3. 300 डिग्री सेल्सियस के तहत प्लाज्मा-संवर्धित रासायनिक वाष्प जमाव (पीईसीवीडी) द्वारा फ्लैट नीलम सब्सट्रेट पर200 एनएम एसआईओ 2 फिल्म जमा करें। जमा दर 100 एनएम/न्यूनतम है।
  2. कताई नैनोइमप्रिंट विरोध
    1. नीलम सब्सट्रेट को इथेनॉल के साथ धोएं और उसके बाद डिएकाइज्ड वॉटर 3x करें।
    2. नाइट्रोजन बंदूक के साथ सब्सट्रेट को सुखाएं।
    3. 60 एस के लिए 3000 आर/मिनट पर फ्लैट नीलम सब्सट्रेट पर 200 एनएम नैनोइमप्रिंट प्रोसिव (एनआईआर) टीयू-2 स्पिन करें।
  3. थर्मोप्लास्टिक छाप
    1. पॉलीमर फिल्म का विरोध नैनोइमप्रिंट पर एक नमूनों मोल्ड रखें।
    2. बहुलक के कांच संक्रमण के तापमान के ऊपर नीलम सब्सट्रेट को गर्म करने के लिए 60 डिग्री सेल्सियस पर 30 बार के रूप में उच्च दबाव लागू करें।
    3. 60 एस के लिए पराबैंगनी विकिरण के लिए बेनकाब करें और एनपीआर टीयू-2 को जमना करने के लिए यूवी स्रोत को बंद करने के बाद 120 एस के लिए बनाए रखें।
    4. नीलम सब्सट्रेट को ठंडा करें और कमरे के तापमान (आरटी) में ढालें।
    5. मोल्ड छोड़ें।
  4. पैटर्न ट्रांसफर
    1. एवीथ नीलम सब्सट्रेट पर पैटर्न स्थानांतरित करने के लिए बीसीएल3 के साथ बीईआर पर नैनो-होल से उजागर नीलम सब्सट्रेट । नक़्क़ाशी शक्ति 700 डब्ल्यू है और नक़्क़ाशी समय 3 मिनट है।
    2. अवशिष्ट एनपीआर टीयू-2 को 20 एस के लिए एक आरआई सिस्टम में ओ2 प्लाज्मा नक़्क़ाशी द्वारा हटा दें। नक़्क़ाशी दबाव 5 मीटर्टर है और नक़्क़ाशी शक्ति 100 डब्ल्यू है। अंत में, अनचित क्षेत्रों की चौड़ाई 300 एनएम है और गहराई 400 एनएम है। पैटर्न की अवधि 1 माइक्रोन है।
      नोट: एनपीआई एनपीएस प्राप्त करने का एकमात्र तरीका नहीं है। एनपीएस का व्यवसायीकरण किया जाता है और इसे कहीं और खरीदा जा सकता है ।

2. एनपीएस पर ग्राफीन की एपीसीवीडी वृद्धि

  1. एनएनपीएस को एसीटोन, इथेनॉल और डिओनाइज्ड वॉटर 3x के साथ कुल्ला करें।
  2. एनपीएस को नाइट्रोजन गन से सुखा लें।
  3. लंबे, फ्लैट तापमान क्षेत्र के लिए एनपीएस को तीन-जोन उच्च तापमान भट्टी में लोड करें। भट्ठी को 1050 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करें और 500 एससीएम एआर और 300 एससीएम एच2 के तहत 10 मिनट के लिए स्थिर करें
  4. 3 घंटे के लिए एनपीएस पर ग्राफीन की वृद्धि के लिए रिएक्शन चैंबर में 30 एससीएम सीएच4 का परिचय दें। ग्राफीन की वृद्धि के बाद, सीएच4 को बंद करें और स्वाभाविक रूप से शांत होें।

3. एन2-प्लाज्मा उपचार

  1. ग्राफीन-एनपीएस को डिवोनाइज्ड पानी से कुल्ला करें।
  2. एनपीएस को नाइट्रोजन गन से सुखा लें।
  3. एन2-प्लाज्माद्वारा ग्राफीन-एनपीएस एस 30 एस के लिए 300 एससीएम की एन2 प्रवाह दर और एक प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (RIE) कक्ष में 50 डब्ल्यू की शक्ति के साथ।

4. ग्राफीन-एनपीएस पर एएलएन की MOCVD वृद्धि

  1. एएलएन विकास के लिए MOCVD नुस्खा संपादित करें और ग्राफीन-एनपीएस और उसके एनपीएस समकक्ष को होममेड एमओसीवीडी चैंबर में लोड करें।
  2. 12 मिनट तक गर्म करने के बाद तापमान 1200 डिग्री सेल्सियस पर स्थिर हो जाता है। परिवेश के रूप में 7000 एससीएम एच2, 70 एससीएम त्रिमेथिल्लीलुम (टीएमएल) और 500 एससीसीएम एनएच3 को 2 घंटे के लिए एएलएन के विकास के लिए पेश करें।

5. ALGaN MQWs के MOCVD विकास

  1. जमाव घटक को समायोजित करने के लिए टीएमएएल प्रवाह में आवधिक परिवर्तन के साथ 20 अवधि के एएलएन (2 एनएम) /अल०.६जीए0.4एन (2 एनएम) लेयर सुपरलैटिस (एसएल) को विकसित करने के लिए एमओसीवीडी चैंबर का तापमान 1130 डिग्री सेल्सियस तक कम हो जाता है। परिवेश गैस एच2है । एएलएन के लिए टीएमएल, टीएमजीए और एनएच3 की तिल प्रवाह दरें 50 एससीसीएम, 0 एससीएम और 1000 एससीएम हैं; और AlGaN के लिए क्रमशः 32 एससीसीएम, 7 एससीसीएम और 2,500 एससीएम हैं।
  2. MOCVD कक्ष के तापमान को 1002 डिग्री सेल्सियस तक कम करें और 1.8 माइक्रोन एन-अल0.55 जीए 0.45एन लेयर के विकास के लिए एक सिलिकेन प्रवाह पेश करें।0.45 परिवेश गैस एच2 है और एन-प्रकार के शैवाल की सांद्रता 5 x 1018 सेमी-3है।
  3. 24 एससीसीएम से 14 एससीएम तक टीएमएल स्विच करके 5-पीरियड अल0.6जीए0.4एन (3 एनएम) /अल0.5जीए0.5एन (12 एनएम) एमक्यूडब्ल्यू, और टीएमजीए को 7 एससीसीएम से 8 एससीसीएम, प्रत्येक अवधि के लिए 1002 डिग्री सेल्सियस पर बढ़ाएं। परिवेश गैस एच2है ।
  4. 1002 डिग्री सेल्सियस पर 50 एनएम एमजी-डॉप्ड पी- अल0.65जीए0.35एन इलेक्ट्रॉन ब्लॉकिंग लेयर (ईबीएल) जमा करें। टीएमएल, टीएमजीए और एनएच3 की तिल प्रवाह दरें 40 एससीसीएम, 6 एससीएम और 2500 एससीएम हैं। परिवेश गैस एच2है ।
  5. 2500एससीएम के एनएच 3 फ्लो के साथ जमा30 एनएम पी-अल 0.5 जीए0.5एन क्लैडिंग लेयर। परिवेश गैस एच2है ।
  6. 2500 एससीएम के एनएच3 फ्लो के साथ 150 एनएम पी-जीएएन कॉन्टैक्ट लेयर जमा करें। परिवेश गैस एच2है । टीएमजीए और एनएच3 के तिल प्रवाह की दरें 8 एससीएम और 2500 एससीएम हैं। पी-अल्गेन की छेद एकाग्रता 5.4 x 1017 सेमी-3है।
  7. MOCVD कक्ष के तापमान को 800 डिग्री सेल्सियस तक कम करें और20 मिनट के लिए एन 2 के साथ पी-प्रकार की परतों को एन-एनल करें। परिवेश गैस एन2है ।

6. शैवाल-आधारित DUV-एलईडी का निर्माण

  1. वेफर्स और लिथोग्राफी पर फोटोरेसिस्ट 4620 कताई। यूवी एक्सपोजर समय, समय के विकास, और कुल्ला समय क्रमशः 8 एस, 30 एस, और 2 मिनट हैं।
  2. पी-जीएन की आईसीपी नक़्क़ाशी। नक़्क़ाशी शक्ति, नक़्क़ाशी दबाव, और GaN की नक़्क़ाशी दर क्रमशः ४५० डब्ल्यू, 4 मीटर टोर, और ५.६ एनएम/एस हैं ।
  3. 15 मिनट के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर एसीटोन में नमूना डालें और इसके बाद नमूने को इथेनॉल और डिओनाइज्ड पानी 3x से धोएं।
  4. नकारात्मक फोटोरेसिस्ट एनआर9 और लिथोग्राफी कताई। यूवी एक्सपोजर समय, समय के विकास, और कुल्ला समय क्रमशः 12 एस, 20 एस, और 2 मिनट हैं ।
  5. नमूना को एसीटोन, इथेनॉल और डिओनाइज्ड वॉटर 3x से धोएं।
  6. इलेक्ट्रॉन बीम (ईबी) वाष्पीकरण द्वारा जमा Ti/Al/Ti/Au ।
  7. नकारात्मक फोटोरेसिस्ट एनआर9 और लिथोग्राफी स्पिन करें। यूवी एक्सपोजर समय, समय के विकास, और कुल्ला समय क्रमशः 12 एस, 20 एस, और 2 मिनट हैं ।
  8. अल्ट्रासोनिकेशन के बिना एसीटोन, इथेनॉल और डिओनाइज्ड वॉटर 3x के साथ नमूना धोएं।
  9. ईबी वाष्पीकरण द्वारा एनआई/एयू जमा करें ।
  10. नमूना को साफ करने के लिए इथेनॉल और डिवोनाइज्ड वॉटर 3x से सैंपल को धोएं।
  11. प्लाज्मा संवर्धित रासायनिक वाष्प जमाव (पीईसीवीडी) द्वारा जमा 300 एनएम एसआईओ2। जमा करने का तापमान 300 डिग्री सेल्सियस और जमाव दर 100 एनएम/न्यूनतम है।
  12. स्पिन फोटोरेसिस्ट 304 और लिथोग्राफी। यूवी एक्सपोजर समय, समय के विकास, और कुल्ला समय क्रमशः 8 एस, 1 मिनट, और 2 मिनट हैं।
  13. वेफर्स को 15 एस के लिए 23% एचएफ समाधान में विसर्जित करें।
  14. नमूने को इथेनॉल और डिवोनाइज्ड पानी 3x से धोएं और नाइट्रोजन बंदूक से सूखा।
  15. फोटोलिथोग्राफी के बाद ईबी वाष्पीकरण द्वारा अल/टीआई/एयू जमा करें । फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया वही है जो चरण 6.4-6.7 में किया जाता है।
  16. नमूने को इथेनॉल और डिवोनाइज्ड वॉटर 3x से धोएं।
  17. मैकेनिकल पॉलिश करके नीलम को 130 माइक्रोन में पीसकर पॉलिश करें।
  18. नमूने को डेवेक्सिंग समाधान और डिओनाइज्ड पानी से धोएं।
  19. एक लेजर के साथ 0.5 मिमी x 0.5 मिमी उपकरणों के टुकड़ों में पूरे वेफर काटें और इसे एक यांत्रिक डाइसर का उपयोग करके चिप्स में काट दें।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) छवियां, एक्स-रे विवर्तन कमाल घटता (XRC), रमन स्पेक्ट्रा, ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM) छवियां, और इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस (ईएल) स्पेक्ट्रम एपिटैक्सियल एलएन फिल्म(चित्रा 1, चित्रा 2)और अल्गां आधारित DUV-LEDs(चित्रा 3)के लिए एकत्र किए गए थे । एसईएम और TEM का उपयोग ग्राफीन-एनपीएस पर एएलएन की आकृति विज्ञान का निर्धारण करने के लिए किया जाता है। XRD और रमन का उपयोग अव्यवस्था घनत्व और अवशिष्ट तनाव की गणना करने के लिए किया जाता है। ईएल का उपयोग गढ़े गए DUV-एलईडी की रोशनी को समझाने के लिए किया जाता है।

Figure 1
चित्रा 1: एन2 प्लाज्मा-इलाज ग्राफीन-एनपीएस सब्सट्रेट पर एएलएन फिल्म की वृद्धि।
(A)नंगे एनपीएस की एसईएम छवि । इनसेट एएफएम द्वारा एनपीएसएस के पैटर्न की लाइन प्रोफाइल को दिखाया गया है । (ख)एनपीएसएस पर विकसित ग्राफीन फिल्मों की एसईएम छवि । (ग)एन2 प्लाज्मा उपचार (काला) से पहले ग्राफीन फिल्म के रमन स्पेक्ट्रा और N2 प्लाज्मा उपचार (लाल) के बाद । (D, F)ग्राफीन इंटरलेयर के बिना एनपीएसएस पर एएलएन फिल्मों की शुरुआती 10 मिनट और 2 घंटे की वृद्धि की एसईएम छवियां हैं । (ई और जी) ग्राफीन इंटरलेयर के साथ एनपीएसएस पर शुरुआती 10 मिनट और 2 एच ग्रोथ एएलएन फिल्मों की एसईएम इमेज हैं । (एच, I)एनपीएसएस पर अलएन फिल्मों की क्रॉस-सेक्शनल एसईएम छवियां हैं और ग्राफीन इंटरलेयर के साथ। इस आंकड़े को चांग एट अलसेसंशोधित किया गया है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: एन2 प्लाज्मा-इलाज ग्राफीन-एनपीएस सब्सट्रेट पर उगाए गए एएलएन का लक्षण वर्णन।
एनपीएसएसAपर ग्राफीन इंटरलेयर के साथ और बिना एनपीएस पर उगाई जाने वाली ए (ए) (0002) और(बी)(102) की एक्सआरसी। (ग)एनपीएसएस पर ग्राफीन इंटरलेयर के साथ और बिना उगाई जाने वाली एएलएन परतों का रमन स्पेक्ट्रा । (घ)एएलएन/ग्राफीन/एनपीएसएस इंटरफेस की एचआरटेम इमेज । (ई, एफ)एएलएन लेयर और एएलएन और ग्राफीन/एनपीएसएस के बीच इंटरफेस से लिए गए एसएईईई पैटर्न हैं । (जी)जी = [0 10] के साथ ग्राफीन/एनपीएसएस पर उगाए गए एएलएन की ब्राइट-फील्ड क्रॉस-सेक्शनल टेम Equation 1 छवियां । इस आंकड़े को चांग एट अलसेसंशोधित किया गया है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्रा 3: के रूप में गढ़े DUV-एलईडी का प्रदर्शन ।
(A)शैवालन आधारित DUV-एलईडी संरचना का योजनाबद्ध आरेख। (ख)डीयूवी-एलईडी के साथ और ग्राफीन इंटरलेयर के बिना ईएल स्पेक्ट्रा । इस आंकड़े को चांग एट अल से संशोधित किया गया है ।20कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

जैसा कि चित्रा 1में दिखाया गया है, शून्य तकनीक द्वारा तैयार एनपीएस 400 एनएम गहराई, पैटर्न की 1 माइक्रोन अवधि और अनtched क्षेत्रों की 300 एनएम चौड़ाई के साथ नैनो-अवतल शंकु पैटर्न दिखाता है। ग्राफीन लेयर की एपीसीवीडी ग्रोथ के बाद ग्राफीन-एनपीएएसएस को फिगर 1बीमें दिखाया गया है । रमन स्पेक्ट्रा फिगर 1सी में एन-प्लाज्मा उपचारित ग्राफीन की महत्वपूर्ण वृद्धि हुई डी पीक आरआईवाई प्रक्रिया16के दौरान उत्पन्न झूलने वाले बांड की वृद्धि को दर्शातीहै। 10 मिनट के लिए ALN के सीधे MOCVD वृद्धि के बाद, चित्रा 1डी नंगे एनपीएस पर अनियमित ALN द्वीपों के 3 डी विकास से पता चलता है, जबकि चित्रा 1 एक पार्श्व 2D तरीके से पता चलता है और ग्राफीन-एनपीएस पर ALN के तेजी से एकजुटता । 2 घंटे की वृद्धि के बाद, ग्राफीन-एनपीएसएस पर एएलएन फिल्म की सतह ग्राफीन पर एएलएन की त्वरित पार्श्व वृद्धि और तेजी से एकजुट होने के कारण निरंतर और सपाट(चित्रा 1जी)हो जाती है। इसके विपरीत, चित्रा 1एफ सीधे नंगे एनपीएस पर उगाए जाने वाले एएलएन की किसी न किसी सतह को दिखाता है। इसके अलावा, एनपीएसएस और ग्राफीन-एनपीएसएस पर विकसित एएलएन की क्रॉस-सेक्शनल एसईएम छवियों से, चित्रा 1एच, आईमें दिखाया गया है, यह स्पष्ट है कि ग्राफीन इंटरलेयर की सहायता से, एएलएन ग्राफीन-एनपीएस पर त्वरित सामंजस्य प्रदर्शित करता है।

(0002) और (10 Equation 1 2) चित्रा 2ए में दिखाए गए AlN फिल्मों के XRC,बी ग्राफीन-एनपीएस पर उगाए गए ALN की उच्च गुणवत्ता की पुष्टि करता है, FWHM XRC में 455.4 आर्कसेक से 267.2 आर्कसेक और 689.2 आर्कसेक से 503.4 आर्कसेक तक, क्रमशः, एएलएन की तुलना में, जो कि नंगे एनपीएस पर उगाया गया है, में काफी कटौती की गई है। इस प्रकार, नंगे एनपीएसएस पर एएलएन के स्क्रू डिस्लोकेशन का अनुमानित घनत्व 4.51 x 108 सेमी-2है, जो ग्राफीन की सहायता से 1.55 x 10 8 सेमी-2 तक कम होजाता है। ये परिणाम एक ग्राफीन बफर के साथ एनपीएसएस पर एएलएन की सुधार गुणवत्ता दिखाते हैं, जो DUV-एलईडी17के लिए अधिक उपयुक्त है।

एएलएन(चित्रा2सी)के ई2 फोनन मोड का रमन स्पेक्ट्रम, जो बाइक्सियल स्ट्रेस18के प्रति संवेदनशील है, ग्राफीन-एनपीएस पर तनाव-जारी एएलएन को दर्शाता है, जिसमें ई2 चोटी पर स्थित है। 658.3 सेमी-1,तनाव मुक्त एएलएन (657.4 सेमी-1)के करीब, नंगे एनपीएस (660.6 सेमी-1)पर एएलएन की तुलना में। रमन स्पेक्ट्रा पर अनुमानित अवशिष्ट तनाव ग्राफीन की सहायता से 0.87 जीपीए से 0.25 जीपीए तक काफी कम हो जाता है। 19

चित्रा 2डी ग्राफीन की सहायता से एनपीएसएस पर एएलएन की चिकनी एपिटैक्सी के साथ एएलएन/ग्राफीन/एनपीएस इंटरफेस की एचआरटीएम छवि दिखाता है, जो अलएन के अर्ध-वैन डेर वाल्स एपिटैक्सी का संकेत देता है । चित्रा 2 ALN के चयनित क्षेत्र इलेक्ट्रॉन विवर्तन (एसएईडी) पैटर्न को दिखाता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि ग्राफीन-एनपीएस पर विकसित एएलएन वर्ट्ज़ाइट संरचना है। क्रिस्टल ओरिएंटेशन सी-एक्सिस के साथ है। जैसा कि चित्रा 2एफमें दिखाया गया है, एएलएन और अल23 का अभिविन्यास संबंध इस प्रकार है: (0002) AlN/(0006) अल2O3 और Equation 1 Equation 2 (0 10) AlN/(20) अल2O3चित्रा 2जी AlN के पार्श्व विकास के दौरान शंकु पर हवा शूंय के गठन से पता चलता है । शून्य मोड़ के पास कुछ अव्यवस्थाएं और शून्य के चरमोत्कर्ष पर विनाश; इस प्रकार, एएलएन का थ्रेडिंग अव्यवस्था घनत्व कम हो जाता है। TEM माप जारी तनाव और QvdWE विकास के कारण ग्राफीन पर AlN के अव्यवस्था घनत्व कम समझाओ ।

ग्राफीन-एनपीएसएस पर अल्जीएन स्थित डीयूवी-एलईडीएस का ईएल स्पेक्ट्रम(चित्रा 3बी)बार एनपीएस की तुलना में 280 एनएम और वर्तमान 40 एमए की चोटी की तरंग दैर्ध्य पर 2.6 x मजबूत ल्यूमिनेसेंस दिखाता है। प्रोटोकॉल एमओसीवीडी द्वारा सीवीडी-ग्रोथ ग्राफीन इंटरलेयर की सहायता से एनपीएसएस पर उच्च गुणवत्ता वाले तनाव-जारी एएलएन फिल्मों के विकास के लिए एक विधि को दर्शाता है। एन2 प्लाज्मा उपचार ग्राफीन की रासायनिक प्रतिक्रिया को बढ़ाता है और एएलएन के QvdWE विकास का एहसास करता है। हालांकि, एनपीएसएस पर ग्राफीन की चयनात्मक वृद्धि अभी भी गहन अध्ययन की आवश्यकता है । इस विधि का उपयोग करके एनपीएस पर एएलएन की वृद्धि और एकजुटता दरों में भी वृद्धि की जाती है, जो कम लागत और कम समय की आवश्यकताओं के साथ बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए आवश्यक है । ग्राफीन-एनपीएस पर उगाया गया एएलएन टेम्पलेट अल्जीएन-आधारित डीयूवी-एलईडी के आवेदन में काफी संभावनाएं दिखाता है।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस काम को चीन के नेशनल की आर एंड डी प्रोग्राम (नंबर 2018YFB0406703), नेशनल नेचुरल साइंस फाउंडेशन ऑफ चाइना (नग 61474109, 61527814, 11474274, 61427901) और बीजिंग नेचुरल साइंस फाउंडेशन (नंबर 418206703) ने आर्थिक रूप से सपोर्ट किया।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone,99.5% Bei Jing Tong Guang Fine Chemicals company 1090
APCVD Linderberg Blue M
EB AST Peva-600E
Ethonal,99.7% Bei Jing Tong Guang Fine Chemicals company 1170
HF,40% Beijing Chemical Works 1789
ICP-RIE AST Cirie-200
MOCVD VEECO P125
PECVD Oerlikon 790+
Phosphate,85% Beijing Chemical Works 1805
Sulfuric acid,98% Beijing Chemical Works 10343

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sakai, Y., et al. Demonstration of AlGaN-Based Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes on High-Quality AlN Templates. Jappanese Journal of Applied Physics. 49, 022102 (2010).
  2. Yun, J., Hirayama, H. Investigation of the light-extraction efficiency in 280 nm AlGaN-based light-emitting diodes having a highly transparent p-AlGaN layer. Journal of Applied Physics. 121, 013105 (2017).
  3. Khan, A., Balakrishnan, K., Katona, T. Ultraviolet light-emitting diodes based on group three nitrides. Nature Photonics. 2, 77-84 (2008).
  4. Balushi, Z. Y. A., et al. The impact of graphene properties on GaN and AlN nucleation. Surface Science. 634, 81-88 (2015).
  5. Motoki, K., et al. Growth and characterization of freestanding GaN substrates. Journal of Crystal Growth. 237, 912-921 (2002).
  6. Kim, Y., et al. Remote epitaxy through graphene enables two-dimensional material-based layer transfer. Nature. 544, 340-343 (2017).
  7. Hemmingsson, C., Pozina, G. Optimization of low temperature GaN buffer layers for halide vapor phase epitaxy growth of bulk GaN. Journal of Crystal Growth. 366, 61-66 (2013).
  8. Chen, Z., et al. High-Brightness Blue Light-Emitting Diodes Enabled by a Directly Grown Graphene Buffer Layer. Advanced Materials. 30, 1801608 (2018).
  9. Dong, P., et al. 282-nm AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes with improved performance on nano-patterned sapphire substrates. Applied Physics Letters. 102, 241113 (2013).
  10. Imura, M., et al. Epitaxial lateral overgrowth of AlN on trench-patterned AlN layers. Journal of Crystal Growth. 298, 257-260 (2007).
  11. Kueller, V., et al. Growth of AlGaN and AlN on patterned AlN/sapphire templates. Journal of Crystal Growth. 315, 200-203 (2011).
  12. Kneissl, M., et al. Advances in group III-nitride-based deep UV light-emitting diode technology. Semiconductor Science & Technology. 26, 014036 (2010).
  13. Kunook, C., Chul-Ho, L., Gyu-Chul, Y. Transferable GaN layers grown on ZnO-coated graphene layers for optoelectronic devices. Science. 330, 655-657 (2010).
  14. Kim, J., et al. Principle of direct van der Waals epitaxy of single-crystalline films on epitaxial graphene. Nature Communications. 5, 4836 (2014).
  15. Han, N., et al. Improved heat dissipation in gallium nitride light-emitting diodes with embedded graphene oxide pattern. Nature Communications. 4, 1452 (2013).
  16. Gupta, P., et al. MOVPE growth of semipolar III-nitride semiconductors on CVD graphene. Journal of Crystal Growth. 372, 105-108 (2013).
  17. Heinke, H., Kirchner, V., Einfeldt, S., Hommel, D. X-ray diffraction analysis of the defect structure in epitaxial GaN. Appllied Physics Letters. 77, 2145-2147 (2000).
  18. Lughi, V., Clarke, D. R. Defect and Stress Characterization of AlN Films by Raman Spectroscopy. Appllied Physics Letters. 89, 2653 (2006).
  19. Li, Y., et al. Van der Waals epitaxy of GaN-based light-emitting diodes on wet-transferred multilayer graphene film. Jappanese Journal of Applied Physics. 56, 085506 (2017).
  20. Chang, H., et al. Graphene-assisted quasi-van der Waals epitaxy of AlN film for ultraviolet light emitting diodes on nano-patterned sapphire substrate. Applled Physics Letters. 114, 091107 (2019).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please sign in or create an account.

    Usage Statistics