Графен-помощник Квази-ван дер Ваальс Эпитакси из AlN фильм на нано-узорчатый сапфир субстрат для ультрафиолетового света излучающих диодов

* 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

Представлен протокол для графенового роста высококачественных пленок AlN на нано-узорчатом сапфировом субстрате.

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

Этот протокол демонстрирует метод быстрого роста и объединения AlN при поддержке графена на нанопатенированном сапфировом субстрате (NPSS). Слои графена непосредственно выращиваются на NPSS с использованием без катализатора химического осаждения паров атмосферного давления (APCVD). Применяя азот реактивного иона травл (RIE) плазмы лечения, дефекты вводятся в графеновую пленку для повышения химической реактивности. Во время металлоорганических химических осаждений пара (MOCVD) рост AlN, это N-плазменный обработанный графеновый буфер позволяет AlN быстрый рост, и слияние на NPSS подтверждается поперечного сканирования электронной микроскопии (SEM). Высокое качество AlN на графен-NPSS затем оценивается рентгеновских кривых укачивания (XRCs) с узкой (0002) и (10-12) полной шириной на полу-максимум (FWHM) как 267,2 дуги и 503,4 дуговой соответственно. По сравнению с голыми NPSS, alN рост на графен-NPSS показывает значительное снижение остаточного стресса с 0,87 GPa до 0,25 Гпа, на основе измерений Рамана. Вслед за AlGaN несколько квантовых скважин (МЗВС) рост на графен-NPSS, AlGaN основе глубоких ультрафиолетовых светоизлучающих диодов (DUV светодиоды) производятся. Изготовленные DUV-LED также демонстрируют очевидную, улучшенную производительность люминесценции. Эта работа обеспечивает новое решение для роста высококачественных AlN и изготовления высокопроизводительных DUV-LED с использованием более короткого процесса и меньших затрат.

Introduction

AlN и AlGaN являются наиболее важными материалами в DUV-LEDs1,2,которые широко используются в различных областях, таких как стерилизация, лечение полимеров, биохимическое обнаружение, нелинейная связь, и специальное освещение3. Из-за отсутствия внутренних субстратов, AlN гетероэпитаксисия на сапфировых субстратах MOCVD стала наиболее распространенным техническим маршрутом4. Тем не менее, большая решетка несоответствие между AlN и сапфировым субстратом приводит к накоплению стресса5,,6, высокой плотности дислокаций, и укладки неисправностей7. Таким образом, внутренняя квантовая эффективность светодиодов снижаетсяна 8. В последние десятилетия, используя узорчатый сапфир в качестве субстратов (PSS) для индуцирования эпитаксиального бокового разрастания AlN (ELO) было предложено решить эту проблему. Кроме того, был достигнут большой прогресс в росте шаблонов AlN9,,10,,11. Однако, с высоким коэффициентом сцепления поверхности и энергией склеивания (2.88 eV для AlN), атомы Al имеют низкую подвижность атомной поверхности, и рост AlN имеет трехмерный режим роста острова12. Таким образом, эпитаксиальный рост пленок AlN на NPSS затруднен и требует более высокой толщины коалесценции (более 3 мкм), чем на плоских сапфировых субстратах, что приводит к увеличению времени роста и требует высоких затрат9.

В последнее время графен показывает большой потенциал для использования в качестве буферного слоя для роста AlN из-за его шестиугольного расположения sp2 гибридизированных атомов углерода13. Кроме того, квази-ван дер Ваалс эпитаксисия (ЗвдВЕ) AlN на графен может уменьшить эффект несоответствия и проложил новый путь для роста AlN14,15. Чтобы увеличить химическую реактивность графена, Чэнь и др. использовали N2-плазмуобработанного графена в качестве буферного слоя и определили звwe высококачественных пленок AlN и GaN8, что демонстрирует использование графена в качестве буферного слоя.

Сочетая N2-плазменныйобработанный графеновый технику с коммерческими субстратами NPSS, этот протокол представляет собой новый метод быстрого роста и объединения AlN на графен-NPSS субстрате. Полностью сливаются толщина AlN на графен-NPSS, как утверждается, меньше, чем 1 мкм, а эпитаксиальные слои AlN имеют высокое качество и стресс-освобождены. Этот метод прокладывает новый путь для массового производства шаблонов AlN и показывает большой потенциал в применении ALGaN-leV-LEDs.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ВНИМАНИЕ: Некоторые из химических веществ, используемых в этих методах остро токсичны и канцерогенных. Пожалуйста, проконсультируйтесь со всеми соответствующими листами данных о безопасности материалов (MSDS) перед использованием.

1. Подготовка НПСС с помощью литографии наноимпринтов (NIL)

  1. Осаждение siO2 пленки
    1. Вымойте 2" c-плоскост плоский сапфировый субстрат с этанолом с последующим деионированной водой в три раза.
    2. Высушите субстрат азотным пистолетом.
    3. Депозит 200 нм SiO2 пленка на плоском сапфировом субстрате плазма-улучшенного химического осаждения пара (PECVD) под 300 градусов по Цельсию. Коэффициент осаждения составляет 100 нм/мин.
  2. Спиннинг наноимпринт сопротивляться
    1. Вымойте сапфировый субстрат этанолом с помощью деионированной воды 3x.
    2. Высушите субстрат азотным пистолетом.
    3. Спин 200 нм наноимпринт сопротивление (NIR) ТУ-2 на плоском сапфировом субстрате на 3000 г/мин в течение 60 с.
  3. Термопластический отпечаток
    1. Поместите узорчатую форму на наноимпринт противостоять полимерной пленке.
    2. Примените высокое давление в виде 30 бар при температуре 60 градусов по Цельсию, чтобы нагреть сапфировый субстрат выше температуры перехода стекла полимера.
    3. Выявить ультрафиолетового облучения в течение 60 с и поддерживать в течение 120 с после выключения уф-источника для укрепления NPR ТУ-2.
    4. Охладите сапфировый субстрат и форму до комнатной температуры (RT).
    5. Отпустите плесень.
  4. Передача шаблона
    1. Etch сапфировый субстрат, выставленный из нано-отверстий на NIR путем индуктивного соединенного плазменного реактивного иона (ICP-RIE) с BCl3 для переноса узора на сапфировый субстрат. Мощность травлирования составляет 700 Вт, а время травлирования - 3 мин.
    2. Удалите остаточные NPR ТУ-2 по плазме О2 в системе RIE в течение 20 с. Давление травления 5 mTorr и травления мощность 100 Вт. Наконец, ширина неотправленных областей составляет 300 нм, а глубина 400 нм. Период шаблона составляет 1 мкм.
      ПРИМЕЧАНИЕ: NIL не единственный способ получить NPSS. NPSS коммерциализированы и могут быть куплены в другом месте.

2. Рост APCVD графена на NPSS

  1. Промыть NPSS с ацетоном, этанолом и деионизированной водой 3x.
  2. Высушите NPSS с азотной пушкой.
  3. Загрузите NPSS в трехзонную высокотемную печь для длительной, плоской температурной зоны. Нагрейте печь до 1050 градусов по Цельсию и стабилизируйтесь в течение 10 минут под 500 см Ар и 300 см Ч2
  4. Введите 30 см CH4 в реакционую камеру для роста графена на NPSS за 3 ч. После роста графена выключите CH4 и естественно охладите.

3. N2- плазменная обработка

  1. Промыть графен-NPSS с деионизированной водой.
  2. Высушите NPSS с азотной пушкой.
  3. Вытравить графен-NPSS N2-плазмысо скоростью потока N2 300 см для 30 см и мощностью 50 Вт в реактивной ионной травл (RIE) камеры.

4. Рост MOCVD AlN на графен-NPSS

  1. Отредактируйте рецепт MOCVD для роста AlN и загрузите графен-NPSS и его аналог NPSS в самодельную камеру MOCVD.
  2. После нагрева в течение 12 мин, температура стабилизируется при температуре 1200 градусов по Цельсию. Введите 7000 sccm H2 как окружающий, 70 сксм триметилалюминюм (TMAl), и 500 sccm NH3 для роста AlN за 2 ч.

5. Рост MOCVD МЗВ AlGaN

  1. Снижение температуры камеры MOCVD до 1130 градусов по Цельсию, чтобы вырасти 20-период AlN (2 нм)/Al0.6Ga0.4N (2 nm) слой superlattice (SL) с периодическими изменениями в TMAl поток для регулировки компонента осаждения. Окружающий газ H2. Коэффициенты потока родинок TMAl, TMGa и NH3 для AlN составляют 50 см, 0 см см и 1000 см см; и для AlGaN являются 32 sccm, 7 sccm, и 2500 sccm, соответственно.
  2. Понизим температуру камеры MOCVD до 1002 градусов по Цельсию и введите силикановый поток для роста на 1,8 мкм n-Al0,55Га0,45N слоя. Окружающий газ H2 и концентрация n-типа AlGaN составляет 5 х 1018 см-3.
  3. Рост 5-период Al0,6Ga0,4N (3 нм)/Al0,5Ga0,5N (12 нм) МЗВ путем переключения TMAl от 24 sccm до 14 sccm, и TMGa от 7 см до 8 скмм, для каждого периода на 1002 C. Окружающий газ H2.
  4. Депозит 50 нм Mg-doped p- Al0.65Ga0.35N электрон блокирующий слой (EBL) при 1002 градусов по Цельсию. Коэффициент потока родинок TMAl, TMGa и NH3 составляют 40 см, 6 см и 2500 см. Окружающий газ H2.
  5. Депозит 30 нм р-Al0,5Га0,5N слой облицовки с NH3 поток 2500 sccm. Окружающий газ H2.
  6. Депозит 150 нм p-GaN контактный слой с NH3 поток 2500 сксм. Окружающий газ H2. Коэффициент потока родинок TMGa и NH3 8 см и 2500 см. Концентрация отверстия p-AlGaN составляет 5,4 х 1017 см-3.
  7. Понизим температуру камеры MOCVD до 800 градусов по Цельсию и аннинтуальное р-тип слоев N2 в течение 20 мин. Окружающий газ N2.

6. Изготовление alGaN основе DUV-LEDs

  1. Спиннинг фотореалист 4620 на вафлях и литографии. Время УФ-облучения, время развития и время полоски 8 с, 30 с и 2 мин, соответственно.
  2. ICP офорт р-Ган. Мощность офорта, давление травлирования и скорость травля GaN составляют 450 Вт, 4 м Торр и 5,6 нм/с соответственно.
  3. Положите образец в ацетон при 80 градусов по Цельсию в течение 15 минут с последующим мытьем образца этанолом и деионизированной водой 3x.
  4. Спиннинг отрицательный фотореалист NR9 и литография. Время УФ-облучения, время развития и время полоски времени 12 с, 20 с и 2 мин, соответственно.
  5. Вымойте образец с ацетоном, этанолом и деионизированной водой 3x.
  6. Депозит Ti/Al/Ti/Au электронным лучом (EB) испарения.
  7. Спин негативный фотореалист NR9 и литография. Время УФ-облучения, время развития и время полоски времени 12 с, 20 с и 2 мин, соответственно.
  8. Вымойте образец с ацетоном, этанолом и деионизированной водой 3x без ультразвуковой работы.
  9. Депозит Ni/Au по испарениям EB.
  10. Вымойте образец этанолом и деионизированную воду 3x для очистки образца.
  11. Депозит 300 нм SiO2 плазмой с улучшенным химическим осаждением пара (PECVD). Температура осаждения 300 градусов по Цельсию, а скорость осаждения 100 нм/мин.
  12. Спин фотореалист 304 и литография. Время УФ-облучения, время развития и время полоски 8 с, 1 мин и 2 мины соответственно.
  13. Погрузите в 23% HF раствор для 15 с.
  14. Вымойте образец этанолом и деионизированной водой 3x и высушите азотным пистолетом.
  15. Депозит Al/Ti/Au по испарениям EB после фотолитографии. Процесс фотолитографии такой же, как и в шагах 6.4-6.7.
  16. Вымойте образец этанолом и деионизированной водой 3x.
  17. Измельчить и полировать сапфир до 130 мкм путем механической полировки.
  18. Вымойте образец раствором росексирования и деионизированной водой.
  19. Разрежьте всю вафельку на кусочки 0,5 мм х 0,5 мм устройства с лазером и нарезать его на чипы с помощью механического dicer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Сканирование электронной микроскопии (SEM) изображения, рентгеновские дифракционные кривые качания (XRC), Раман спектра, передачи электронной микроскопии (TEM) изображения, и электролюминесценции (EL) спектр были собраны для эпитаксиальной пленки AlN (Рисунок 1, Рисунок 2) и AlGaN основе DUV-LEDs (Рисунок 3). SEM и TEM используются для определения морфологии AlN на графен-NPSS. XRD и Raman используются для расчета плотности дислокации и остаточного стресса. EL используется для иллюстрации подсветки изготовленных DUV-LEDs.

Figure 1
Рисунок 1: Рост пленки AlN на субстрате N2, обработанном плазмой графена-NPSS.
()SEM изображение голой NPSS. Вставка показывает профиль строки шаблонов NPSS от AFM. (B) SEM изображение как-взрослых графеновых фильмов на NPSS. (C) Раман спектра графеновой пленки до N2 плазменной обработки (черный) и после N2 плазмы лечения (красный). (D, F) являются SEM изображения первоначального 10 мин и 2 ч роста AlN фильмов на NPSS без графена межслойный. (E и G) являются SEM изображения первоначальных 10 мин и 2 ч роста AlN фильмов на NPSS с графеном межслойным. (H, I) являются поперечные ИЗОБРАЖЕНИЯ SEM фильмов AlN на NPSS без графена межслойный. Эта цифра была изменена с Chang et al.20. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2: Характеристика AlN, выращенного на субстрате N2, обработанной плазмой графена-NPSS.
XRC (A) (0002) и (B) (102) для фильмов AlN, выращенных на NPSS с графеновым межслойным 2002 и без. (C) Раман спектра alN слоев, выращенных на NPSS с и без графена межслойного. (D) HRTEM изображение интерфейса AlN/graphene/NPSS. (E, F) являются шаблоны SAED взяты из слоя AlN и интерфейс между AlN и графена / NPSS. (G) Яркое поле поперечно-секционных TEM изображения AlN выросли на графен / NPSS с g No 0 Equation 1 10 ". Эта цифра была изменена с Chang et al.20. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3: Производительность как-изготовлено DUV-LED.
() Схематическаядиаграмма AlGaN основе DUV-LED структуры. (B) EL спектра DUV-LEDs с графеном межслойным и без. Эта цифра была изменена с Chang et al.20Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Как показано на рисунке 1A, NPSS, подготовленный методом NIL, иллюстрирует нано-вогнутые конусные узоры с глубиной 400 нм, 1 мкм периода шаблона и шириной 300 нм неотретимых областей. После роста APCVD графенового слоя графен-NPSS показан на рисунке 1B. Значительное увеличение D пик N-плазмы обработанного графена в Раман спектра Рисунок 1C демонстрирует увеличение оборванных облигаций, порожденных в процессе RIE16. После непосредственного роста MOCVD AlN в течение 10 мин, рисунок 1D показывает 3D рост нерегулярных островов AlN на голых NPSS в то время как рисунок 1E показывает боковой 2D образом и быстрое слияние AlN на графен-NPSS. После 2 ч роста поверхность пленки AlN на графене-NPSS становится непрерывной и плоской(рисунок 1G)из-за быстрого бокового роста и быстрого объединения AlN на графене. Напротив, на рисунке 1F показана неровная поверхность AlN, непосредственно выращенная на голой NPSS. Кроме того, из поперечных SEM изображения как-выращенных AlN на NPSS и графен-NPSS показано на рисунке 1H, Я, ясно, что с помощью графена межслойной, AlN отображает быстрое слияние на графен-NPSS.

(0002) и (10 Equation 1 2) XRC фильмов AlN, показанных на рисунке 2A,B, подтверждает высокое качество AlN, выращенного на графен-NPSS, со значительно сокращением FWHM XRC с 455,4 дугек до 267,2 дуги и 689,2 дуги до 503,4 дуги, соответственно, по сравнению с AlN выросли на голые NPSS. Таким образом, расчетная плотность винтовых дислокаций AlN на голой NPSS составляет 4,51 х 108 см-2,что уменьшается до 1,55 х 108 см-2 с помощью графена. Эти результаты показывают улучшение качества AlN на NPSS с графеновым буфером, который больше подходит для DUV-LEDs17.

Спектр Раман E2 фонон режим AlN (Рисунок 2C), который чувствителен к биаксиационного стресса18, демонстрирует стресс-выпущенный AlN на графен-NPSS с E 2 пик расположен най 658,3 см-1,ближе к без стресса AlN (657,4 см-1),по сравнению с AlN на голой NPSS (660,6 см-1). Остаточный стресс, оцениваемый на основе спектра Романа, показывает, что с помощью графена значительно снижена с 0,87 ГПа до 0,25 ГПа. 19

На рисунке 2D показана изображение HRTEM интерфейса AlN/graphene/NPSS с гладкой эпитаксисом AlN на NPSS с помощью графена, что указывает на квази-ван дер Ваальс эпитаксия AlN. На рисунке 2E показан выбранный области электронной дифракционной (SAED) шаблон AlN, демонстрируя, что как-выросший AlN на графен-NPSS является wurtzite структуры. Кристаллическая ориентация находится вдоль оси c. Как показано на рисунке 2F, ориентация отношения AlN и Al2O3 выглядит следующим образом: (0002) AlN/(0006) Al2O3 и (0 Equation 1 10) AlN/(20) Equation 2 Al2O3. На рисунке 2G показано формирование пустоты воздуха над конусами во время бокового роста AlN. Некоторые дислокации вблизи пустоты изгиба и уничтожить в кульминации пустоты; таким образом, плотность дислокации резьбы AlN уменьшается. Измерения TEM объясняют высвобожденный стресс и снижение плотности дислокации AlN на графене из-за роста звдwe.

EL спектра (Рисунок 3B) alGaN основе DUV-LEDS на графен-NPSS показывает 2,6x сильнее люминесценции на пиковой длины волны 280 нм и ток 40 мА, по сравнению с голыми NPSS. Протокол демонстрирует метод для роста высококачественных стресс-выпущенных фильмов AlN на NPSS с помощью ССЗ-рост графена интерлейер MOCVD. N2 плазменная обработка повышает химическую реактивность графена и реализует рост AlN. Тем не менее, селективный рост графена на NPSS по-прежнему требует углубленных исследований. Используя этот метод, увеличиваются темпы роста и коалесценции AlN на NPSS, что необходимо для массового производства с более низкой стоимостью и сокращенными временными требованиями. Шаблон AlN, выращенный на графен-NPSS, показывает большой потенциал в применении DUV-LEDs на основе AlGaN.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Эта работа была финансово поддержана Национальной ключевой программой НИОКР Китая (No 2018YFB0406703), Национальным фондом естественных наук Китая (No 61474109, 61527814, 11474274, 61427901) и Пекинским научным фондом (No 418206)

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