Graphene-Assisted Quasi-van der Waals Epitaxy of AlN Film on Nano-Patterned Sapphire Substrate for Ultraviolet Light Emitting Diodes | Protocol (Translated to Turkish)
Grafen Destekli Quasi-van der Waals Epitaxy AlN Film Nano-Desenli Safir Substrat ultraviyole Işık Yayan Diyotlar için
Nano desenli safir substrat üzerinde yüksek kaliteli AlN filmleringraf-destekli büyüme için bir protokol sunulmaktadır.
Bu protokol, grafen destekli hızlı büyüme ve AlN'nin nano-pattened safir substrat (NPSS) üzerinde biraraya gelemesi için bir yöntem göstermektedir. Grafen tabakaları doğrudan NPSS üzerinde katalizöriçermeyen atmosferik basınç kimyasal buhar birikimi (APCVD) kullanılarak yetiştirilir. Azot reaktif iyon gravür (RIE) plazma tedavisi uygulanarak, kimyasal reaktiviteyi artırmak için grafen filme defektler getirilir. AlN'nin metal-organik kimyasal buhar birikimi (MOCVD) büyümesi sırasında, bu N-plazma işlenmiş grafen tamponU AlN hızlı büyüme sağlar ve NPSS'de birleşen kesitsel taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile doğrulanır. Grafen-NPSS'deki AlN'nin yüksek kalitesi daha sonra x-ışını sallanan eğrileri (XRCs) ile dar (0002) ve (10-12) tam genişlikte yarım maksimum (FWHM) sırasıyla 267.2 arcsec ve 503.4 arcsec olarak değerlendirilir. Bare NPSS ile karşılaştırıldığında grafen-NPSS'deki AlN büyümesi Raman ölçümlerine göre 0,87 GPa'dan 0,25 Gpa'ya kadar kalan streste önemli bir azalma göstermektedir. Grafen-NPSS'de AlGaN çoklu kuantum kuyuları (MQWS) büyümesi takip edilerek, AlGaN tabanlı derin ultraviyole ışık yayan diyotlar (DUV LED'ler) üretilir. Fabrikasyon DUV-LED'ler de bariz, gelişmiş parlaklık performansı gösterir. Bu çalışma, yüksek kaliteli AlN'nin büyümesi ve daha kısa bir proses ve daha az maliyet kullanarak yüksek performanslı DUV-LED'lerin üretimi için yeni bir çözüm sağlar.
AlN ve AlGaN DUV-LED'ler11,2,yaygın sterilizasyon, polimer kür, biyokimyasal algılama, non-line-of-sight iletişim ve özel aydınlatma3gibi çeşitli alanlarda kullanılan en önemli malzemelerdir 3 . Içsel substrateksikliği nedeniyle, MOCVD tarafından safir substratlar aln heteroepitaxi en yaygın teknik rota haline gelmiştir4. Ancak, AlN ve safir substrat arasındaki büyük kafes uyumsuzluğu stres birikimine yol açar5,6, yüksek yoğunluklu çıkıklar, ve istifleme hataları7. Böylece, LED'lerin iç kuantum verimliliğiazalır 8. Son yıllarda, aln epitaksial lateral overgrowth ikna etmek için substratolarak desenli safir kullanarak (PSS) (ELO) Bu sorunu çözmek için önerilmiştir. Buna ek olarak, aln şablonları9,10,,11büyüme büyük ilerleme yapılmıştır. Ancak, yüksek yüzey yapışma katsayısı ve yapıştırma enerjisi ile (AlN için 2.88 eV), Al atomları düşük atomik yüzey hareketliliği var, ve AlN büyüme üç boyutlu bir ada büyüme modu na sahip olma eğilimindedir12. Böylece, NPSS AlN filmlerin epitaksial büyüme zordur ve daha uzun büyüme süresi neden olur ve yüksek maliyetler gerektirir düz safir yüzeyler, daha yüksek birleştirme kalınlığı (3 μm üzerinde) gerektirir9.
Son zamanlarda, grafen sp2 hibrid karbon atomlarının altıgen düzenleme nedeniyle AlN büyüme için bir tampon tabaka olarak kullanmak için büyük bir potansiyel gösterir13. Buna ek olarak, grafen aln quasi-van der Waals epitaxy (QvdWE) uyumsuzluk etkisini azaltabilir ve AlN büyüme için yeni bir yol açtı14,15. Grafen kimyasal reaktivitesini artırmak için, Chen ve ark. bir tampon tabaka olarak N2-plazma tedavi grafen kullanılan ve yüksek kaliteli AlN ve GaN filmleri QvdWE tespit8, hangi bir tampon tabaka olarak grafen kullanımını göstermektedir.
N2-plazma işlenmiş grafen tekniğini ticari NPSS yüzeyleri ile birleştiren bu protokol, grafen-NPSS substratı üzerinde AlN'nin hızlı büyümesi ve birleştirilmesi için yeni bir yöntem sunar. Grafen-NPSS'deki AlN'nin tamamen birleşen kalınlığının 1 μm'den az olduğu ve epitaksial AlN tabakalarının yüksek kaliteli ve strese açık olduğu doğrulanmaktadır. Bu yöntem AlN şablon seri üretimi için yeni bir yol açar ve AlGaN tabanlı DUV-LED'lerin uygulanmasında büyük bir potansiyel gösterir.
DİkKAT: Bu yöntemlerde kullanılan kimyasalların bir çoğu akut toksik ve kanserojendir. Lütfen kullanmadan önce ilgili tüm malzeme güvenlik veri sayfalarına (MSDS) başvurun.
1. Nanoimprint litografi (NIL) ile NPSS hazırlanması
SiO2 filminin birikimi
Yıkama 2 "c-uçak düz safir substrat etanol ile üç kez deiyonize su takip.
Bir azot tabancası ile substrat kuru.
Plazma ile geliştirilmiş kimyasal buhar birikimi (PECVD) ile 300 °C'nin altındaki düz safir substratüzerinde 200 nm SiO2 film yatırın. Biriktirme oranı 100 nm/dk'dır.
Dönen nanoimprint direnme
Safir substratı etanol ile yıkayın ve ardından deiyonize su 3x.
60 s için 3000 r/dk düz safir substrat üzerinde 200 nm nanoimprint resist (NIR) TU-2 spin.
Nanoimprint dirençli polimer film üzerine desenli bir kalıp yerleştirin.
Polimerin cam geçiş sıcaklığının üzerine safir substratı ısıtmak için 60 °C'de 30 bar olarak yüksek basınç uygulayın.
60 s ultraviyole ışınlama maruz ve NPR TU-2 katılaşmak için UV kaynağı kapattıktan sonra 120 s korumak.
Safir substratı ve kalıbı oda sıcaklığına (RT) kadar soğutun.
Kalıbı serbest bırak.
Desen'i safir substratına aktarmak için endüktif plazma reaktif iyon gravür (ICP-RIE) ile BCl3 ile nir üzerindeki nano deliklerden açığa çıkan safir substratını aşındırın. Gravür gücü 700 W ve gravür süresi 3 dk' dır.
20 s için bir RIE sisteminde O2 plazma gravür tarafından artık NPR TU-2 çıkarın. Gravür basıncı 5 mTorr ve gravür gücü 100 W'dır. Son olarak, püresiz bölgelerin genişliği 300 nm ve derinliği 400 nm'dir. Desen süresi 1 μm'dir.
NOT: NPSS almak için tek yol NIL değildir. NPSS ticari ve başka bir yerde satın alınabilir.
2. NPSS'de grafenin APCVD büyümesi
NPSS'i aseton, etanol ve deiyonize su ile 3x durulayın.
NPSS'i azot tabancasıyla kurutun.
NPSS'i uzun ve düz sıcaklık bölgesi için üç bölgeli yüksek sıcaklık fırınına yükleyin. Fırını 1050 °C'ye ısıtın ve 500 sccm Ar ve 300 sccm H2'nin altında 10 dk stabilize edin
3 saat boyunca NPSS'de grafen büyümesi için reaksiyon odasına 30 sccm CH4 tanıtılıyorum. Grafenin büyümesinden sonra, CH4'ü kapatın ve doğal olarak serin.
3. N2-plazma tedavisi
Grafen-NPSS'i deiyonize suyla durulayın.
Grafen-NPSS'i N2-plazma ile 30 s'lik N2 akış hızına ve reaktif iyon gravür (RIE) haznesinde 50 W gücünde aşın.
4. Grafen-NPSS'de AlN'nin MOCVD büyümesi
AlN büyüme için MOCVD tarifi ni ve ev yapımı MOCVD odasına grafen-NPSS ve NPSS meslektaşı yükleyin.
12 dk ısıtıldıktan sonra sıcaklık 1200 °C'de sabitlenir. Ortam olarak 7000 sccm H2 tanıtın, 70 sccm trimetil alüminyum (TMAl), ve 500 sccm NH3 2 saat aln büyümesi için.
5. AlGN MQWs MOCVD büyüme
20 periyotlu AlN (2 nm)/Al0.6Ga0.4N (2 nm) tabaka superlattice (SL) büyümek için 1130 °C MOCVD odasının sıcaklığını düşürmek tmal akışında periyodik değişiklikler ile biriktirme bileşeni ayarlamak için. Ortam gazı H2'dir. AlN için TMAl, TMGa ve NH3'ün mol akış hızları 50 sccm, 0 sccm ve 1000 sccm;; ve AlGaN için sırasıyla 32 sccm, 7 sccm ve 2.500 sccm vardır.
MOCVD haznesinin sıcaklığını 1002 °C'ye düşürün ve 1,8 μm n-Al0,55Ga0,45N tabakasının büyümesi için silikan akışı getirin. Ortam gazı H2 ve n tipi AlGN konsantrasyonu 5 x 1018 cm-3'tür.
5-periyot Al0.6Ga0.4N (3 nm)/Al0.5Ga0.5N (12 nm) MQWs tmal'ı 24 sccm'den 14 sccm'ye, TMGa'yı ise 7 sccm'den 8 sccm'ye, her dönem için 1002 °C'de büyütün. Ortam gazı H2'dir.
Mevduat 50 nm Mg-dozlu p- Al0.65Ga0.35N elektron engelleme tabakası (EBL) 1002 °C. TMAl, TMGa ve NH3'ün mol akış hızları 40 sccm, 6 sccm ve 2500 sccm'dir. Ortam gazı H2'dir.
Mevduat 30 nm p-Al0.5Ga0.5N kaplama tabakası NH3 2500 sccm akışı ile. Ortam gazı H2'dir.
2500 sccm nh3 akışı ile 150 nm p-GaN temas katmanı yatırın. Ortam gazı H2'dir. TMGa ve NH3'ün mol akış hızları 8 sccm ve 2500 sccm'dir. p-AlGN delik konsantrasyonu 5.4 x 1017 cm-3'tür.
MOCVD haznesinin sıcaklığını 800 °C'ye düşürün ve 20 dk için N2 ile p tipi tabakaları anneal. Ortam gazı N2'dir.
6. Yosun bazlı DUV-LED imalatı
Gofret ve litografi de photoresist 4620 iplik. UV maruz kalma süresi, gelişen zaman ve durulama süresi sırasıyla 8 s, 30 s ve 2 dk'dır.
P-GaN ICP gravür. Gravür gücü, gravür basıncı ve GaN'ın gravür hızı sırasıyla 450 W, 4 m Torr ve 5,6 nm/s'dir.
Numuneyi 80 °C'de 15 dakika boyunca asetona koyun ve ardından numuneyi etanol ve deiyonize su ile 3 kat yıkın.
İplik negatif fotodirenç NR9 ve litografi. UV maruz kalma süresi, gelişen zaman ve durulama süresi sırasıyla 12 s, 20 s ve 2 dk'dır.
Numuneyi aseton, etanol ve deiyonize su ile 3x yıkayın.
Mevduat Ti/Al/Ti/Au elektron ışını (EB) buharlaşma ile.
Spin negatif foto-direnç NR9 ve litografi. UV maruz kalma süresi, gelişen zaman ve durulama süresi sırasıyla 12 s, 20 s ve 2 dk'dır.
Ultrasonication olmadan aseton, etanol ve deiyonize su 3x ile örnek yıkayın.
EB buharlaşma ile Mevduat Ni / Au.
Numuneyi temizlemek için numuneyi etanol ve deiyonize su ile 3x yıkayın.
Plazma ile geliştirilmiş kimyasal buhar birikimi (PECVD) ile 300 nm SiO2 yatırın. Biriktirme sıcaklığı 300 °C ve biriktirme hızı 100 nm/dk'dır.
Spin photoresist 304 ve litografi. UV maruz kalma süresi, gelişen zaman ve durulama süresi sırasıyla 8 s, 1 dk ve 2 dk'dır.
15 s için% 23 HF çözeltisi içine gofret batırın.
Numuneyi etanol ve deiyonize su ile 3x ve kuru bir nitrojen tabancası ile yıkayın.
Fotolitografi sonrası EB buharlaşması ile Al/Ti/Au yatırın. Fotolitografi işlemi 6.4-6.7 adımlarında yapılanla aynıdır.
Örneği etanol ve deiyonize su ile 3x yıkayın.
Safiri mekanik parlatma ile 130 μm'ye kadar öğütün ve parlata.
Numuneyi dewaxing çözeltisi ve deiyonize su ile yıkayın.
Bir lazer ile 0,5 mm x 0,5 mm cihazların parçaları halinde tüm gofret kesin ve mekanik bir dikte kullanarak yongaları halinde kesin.
Taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri, X-ışını kırınım sallanan eğrileri (XRC), Raman spektrumları, iletim elektron mikroskobu (TEM) görüntüleri ve elektrolüminesans (EL) spektrumu epitaksial AlN filmi için toplanmıştır (Şekil 1, Şekil 2) ve AlGaN tabanlı DUV-LED'ler ( Şekil3). SEM ve TEM grafen-NPSS aln morfolojisini belirlemek için kullanılır. XRD ve Raman çıkık yoğunlukları ve artık stres hesaplamak için kullanılır. EL, imal edilmiş DUV-LED'lerin aydınlatımını göstermek için kullanılır.
Şekil 1: N2 plazma-tedavi grafen-NPSS substrat AlN film büyüme.
(A) çıplak NPSS SEM görüntü. Inset, AFM tarafından NPSS desenleri satır profilini gösterir. (B) NPSS üzerinde yetiştirilen grafen filmlerin SEM görüntü. (C) N2 plazma tedavisi (siyah) öncesi ve N2 plazma tedavisi (kırmızı) sonrası grafen filminin Raman spektrumları. (D, F) grafen interlayer olmadan NPSS aln filmlerin ilk 10 dakika ve 2 h büyüme SEM görüntüleri vardır. (E ve G) grafen interlayer ile NPSS ilk 10 dakika ve 2 h büyüme AlN filmlerin SEM görüntüleri vardır. (H, I) grafen interlayer olmadan ve npss aln filmlerin kesitSEL SEM görüntüleri vardır. Bu rakam Chang ve ark.20'dendeğiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: N2 plazma-tedavi grafen-NPSS substratı üzerinde yetiştirilen AlN karakterizasyonu.
XRC (A) (0002) ve (B) (102) AlN filmler için NPSS üzerinde grafen interlayer ve olmadan yetiştirilen. (C) Grafen ara katmanı ile ve grafen olmadan NPSS yetiştirilen AlN katmanları Raman spektrumları. (D) AlN/ grafen/NPSS arabiriminin HRTEM görüntüsü. (E, F), AlN katmanından alınan SAED desenleri ve AlN ile grafen/NPSS arasındaki arayüztür. (G) AlN'nin parlak alan kesitsel TEM görüntüleri grafen/NPSS'de g = [0 10] ile büyütülecektir. Bu rakam Chang ve ark.20'dendeğiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Fabrikasyon DUV-LED performansı.
(A) AlGN tabanlı DUV-LED yapısının şematik diyagramı. (B) GRAFEN ara katmanı olan ve grafensiz DUV-LED'lerin EL spektrumları. Bu rakam Chang ve ark.20değiştirilmiştirBu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 1A'dagösterildiği gibi, NIL tekniği ile hazırlanan NPSS, 400 nm derinliğe, 1 μm desen süresine ve 300 nm genişliğe sahip nano-içbükey koni desenlerini göstermektedir. Grafen tabakasının APCVD büyümesinden sonra grafen-NPSS Şekil 1B'degösterilmiştir. Raman spektrumlu Şekil 1C'deki N-plazma tedavi grafeninin önemli artışlı D zirvesi RIE işlemi sırasında oluşan sarkan bağların artışını göstermektedir16. AlN'nin 10 dk için doğrudan MOCVD büyümesinden sonra, Şekil 1D çıplak NPSS'de düzensiz AlN adalarının 3Boyutlu büyümesini gösterirken, Şekil 1E grafen-NPSS'de AlN'nin yanal 2B şeklini ve hızlı birleşiyi gösterir. 2 saatlik büyümeden sonra grafen-NPSS'deki AlN filminin yüzeyi, grafenüzerinde aln'nin hızlı yanal büyümesi ve hızlı birleşimleri nedeniyle sürekli ve düz hale gelir(Şekil 1G). Tam tersine, Şekil 1F, aln'nin pürüzlü yüzeyini doğrudan çıplak NPSS'de büyürken gösterir. Ayrıca, Şekil 1H,I'degösterilen NPSS ve grafen-NPSS üzerinde yetiştirilen AlN'nin kesitsel SEM görüntülerinden, grafen ara katmanının yardımıyla, AlN'nin grafen-NPSS'de hızlı birliş gösterdiği açıktır.
Şekil 2 A,B'de gösterilen AlN filmlerinin (0002) ve (10 2) XRC'si grafen-NPSS'de yetiştirilen AlN'nin yüksek kalitesini doğrular ve FWHM XRC'de 455,4 arcsec'ten 267,2 Figure 2A,B arcsec'e ve 689,2 arcsec'ten 503,4 arcsec'e, çıplak NPSS'de yetiştirilen AlN'ye kıyasla önemli ölçüde azalma sağlar. Böylece, çıplak NPSS üzerinde AlN vida çıkıkları tahmini yoğunlukları 4.51 x 108 cm-2, grafen yardımı ile 1.55 x 108 cm-2 azalır. Bu sonuçlar, DUV-LED'ler için daha uygun olan grafen tampon ile NPSS'de AlN'nin iyileştirme kalitesini göstermektedir17.
AlN'in E2 fonon modunun Raman spektrumu (Şekil 2C), biaksiyel strese duyarlı olan18,grafen-NPSS'te 658,3 cm-1'debulunan E2 zirvesiile strese açık AlN'yi gösterir, stressfree AlN'ye (657,4 cm-1)daha yakın , bare NPSS'teki AlN'e (660.cm 6-1). Raman spektrumlarına göre tahmin edilen artık stres grafen yardımıyla 0.87 GPa'dan 0.25 GPa'ya önemli ölçüde azaldığını göstermektedir. 19.09.20
Şekil 2D, AlN/grafen/NPSS arabiriminin, grafen yardımı ile NPSS'de AlN'nin düzgün epitaksisi ile bir HRTEM görüntüsünü gösterir ve AlN'nin yarı-van der Waals epitaksisini gösterir. Şekil 2E, AlN'nin seçilen alan elektron kırınımı (SAED) desenini göstererek grafen-NPSS'de yetiştirilen AlN'nin wurtzite yapısı olduğunu gösterir. Kristal yönü c ekseni boyuncadır. Şekil 2F'degösterildiği gibi AlN ve Al2O3'ün oryantasyon ilişkisi aşağıdaki gibidir: (0002) AlN/(0006) Al2O3 ve (0 10) AlN/(20) Al2O3. Şekil 2G, AlN'nin yanal büyümesi sırasında koniler üzerinde hava boşluğu oluştuğunu gösterir. Boşluk yakın bazı çıkıklar viraj ve boşluğun doruk noktasında yok; böylece AlN'nin iş parçacığı çıkığı yoğunluğu azalır. TEM ölçümleri, QvdWE büyümesi nedeniyle grafenüzerindeki AlN'nin serbest bırakılan stresini ve çıkık yoğunluğunu açıklar.
Grafen-NPSS'deki AlGN bazlı DUV-LEDS'nin EL spektrumu (Şekil 3B), çıplak NPSS'e kıyasla 280 nm ve 40 mA'lık bir akımda 2.6 kat daha güçlü parlaklık gösterir. Protokol MOCVD tarafından CVD büyüme grafen interlayer yardımı ile NPSS yüksek kaliteli stres yayımlanan AlN filmlerin büyüme için bir yöntem göstermektedir. N2 plazma tedavisi grafenin kimyasal reaktivitesini artırır ve AlN QvdWE büyüme sini gerçekleştirer. Ancak, NPSS grafen seçici büyüme hala derinlemesine çalışmalar garanti. Bu yöntem kullanılarak, AlN'nin NPSS'deki büyüme ve birliş oranları da artırılır ve bu da daha düşük maliyet ve kısaltılmış zaman gereksinimleriyle seri üretim için gereklidir. Grafen-NPSS'de yetiştirilen AlN şablonu, AlGN tabanlı DUV-LED'lerin uygulanmasında büyük bir potansiyel gösterir.
Bu çalışma, Çin Ulusal Temel Ar-Ge Programı (No. 2018YFB0406703), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (No. 61474109, 61527814, 11474274, 61427901) ve Pekin Doğa Bilimleri Vakfı (No. 41820633) tarafından finansal olarak desteklenmiştir.