( a ) FWHMs XRC de epicapa de AlN con varios espesores cultivados en zafiro tamponado con Gr. ( b ) DD estimado de las películas de AlN con y sin capa amortiguadora de Gr con varios espesores. ( c ) Imágenes DF de AlN / Gr / zafiro epitaxial con g =[0002]. ( d ) Imagen HRTEM de la interfaz AlN / Gr / zafiro. ( e ) Espectros Raman de la estructura AlN / Gr / zafiro tal como ha crecido. ( f ) Cambios Raman relativos de E₂ (alto) de AlN con varios espesores de crecimiento. Crédito:Hongliang Chang et al.
La banda prohibida directa de los materiales basados en AlN los hace adecuados para fabricar dispositivos optoelectrónicos DUV, que tienen una amplia gama de posibilidades de aplicación en los campos de curado, desinfección de agua y aire, medicina y bioquímica. Por lo tanto, lograr una epitaxia de alta calidad de las películas de AlN es de particular importancia para garantizar el excelente rendimiento de los dispositivos fotoeléctricos DUV.
Actualmente, debido a la falta de sustratos homogéneos rentables, la opción óptima para hacer crecer películas de AlN suele ser realizar un crecimiento heteroepitaxial en zafiro. Desafortunadamente, los desajustes inherentes entre el AlN y el sustrato de zafiro inevitablemente introducen una variedad de defectos cristalinos en la epicapa de AlN. En particular, la gran tensión residual en la película de AlN conduce a la falta de uniformidad de la distribución de Al en la capa superior de AlGaN acompañada de la flexión de la oblea, lo que limita severamente el rendimiento del dispositivo. Por lo tanto, se requiere una estrategia factible para dar un salto cualitativo para lograr un crecimiento de alta calidad de películas heteroepitaxiales de AlN y cumplir con los requisitos de aplicación de los dispositivos optoelectrónicos DUV.
En los últimos años, se ha propuesto un método emergente denominado epitaxia cuasi-van der Waals (QvdW) o epitaxia remota basada en material bidimensional (2D) para el crecimiento heteroepitaxial de alta calidad de nitruros del grupo III. Como material 2D ampliamente estudiado, el grafeno se ha incorporado como una capa amortiguadora para el crecimiento epitaxial de nitruros para aliviar de manera efectiva el desajuste de la red y el desajuste térmico entre la epicapa y el sustrato. Los informes previos de la película de nitruro epitaxial sobre grafeno generalmente indicaron que la relajación de la tensión del sistema epitaxial se realizó a través de la interacción débil entre el grafeno y las epicapas, pero falta una discusión detallada o una verificación rigurosa de esta afirmación.
Recientemente, Dou et al. observó la formación de enlaces químicos en la interfaz entre el grafeno y el zafiro cultivados directamente mediante microscopía electrónica de transmisión corregida por aberración y encontró la fuerte interacción entre el grafeno y el zafiro, lo que inevitablemente subvertirá la percepción tradicional de la relajación del estrés a través de la débil interacción vdW entre el grafeno y el sustrato . Por lo tanto, el mecanismo de epitaxia QvdW de las películas de AlN sobre grafeno merece una mayor exploración, lo cual es esencial para manipular con precisión la calidad de las películas de AlN y mejorar aún más el rendimiento de los dispositivos optoelectrónicos DUV.
En un nuevo artículo publicado en Light Science &Application , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Tongbo Wei del Centro de Investigación y Desarrollo de Tecnología de Iluminación de Semiconductores, Instituto de Semiconductores, Academia de Ciencias de China, Beijing, China, y colaboradores han logrado con éxito una película de AlN libre de tensión de alta calidad a través de la ingeniería de almacenamiento previo a la tensión de conducción Gr y presentó el mecanismo único de relajación de la tensión en la epitaxia QvdW. Mientras tanto, la película de AlN libre de tensión que crece sobre grafeno/zafiro se puede utilizar como una capa de plantilla confiable para la epitaxia de alta calidad de los dispositivos DUV-LED.
( a ) Gráfico esquemático de la coalescencia entre dos nanocables de AlN y las longitudes de enlace de la superficie. ( b ) Gráfico esquemático de la coalescencia entre dos superficies infinitas de AlN y las longitudes de enlace de la superficie. d//(Al-N) es la longitud de enlace del enlace Al-N formado por los átomos superficiales de Al y N paralelos a la superficie, d//(Al) es la longitud de enlace del enlace Al-N paralelo formado por el átomo de Al superficial y N subsuperficial, y d//(N) es la longitud del enlace paralelo Al-N formado por el átomo N superficial y Al subsuperficial. Las nociones para enlaces perpendiculares son similares. Los subíndices e y c denotan los enlaces del nanocable en el borde y cerca de la esquina, respectivamente. ( c ) La variación de las longitudes de enlace paralelas de nanocables y la superficie infinita en función de la brecha de separación. ( d ) La variación de las longitudes de enlace perpendiculares de nanocables y superficies infinitas en función de la brecha de separación. Crédito:Hongliang Chang et al.
Ellos resumen los aspectos más destacados de su estudio de la siguiente manera:
"La densidad de dislocación de la epicapa de AlN con grafeno exhibe una evolución anómala similar a un diente de sierra durante el proceso de epitaxia QvdW y los valores son consistentemente más bajos que los del zafiro desnudo. Finalmente, el grafeno permite que la película de AlN logre una disminución del 62,6 % en la densidad de dislocación .
"Se introduce el cálculo de los primeros principios para dilucidar el mecanismo del grafeno que regula el estado de deformación de la película de AlN. Se revela que el grafeno tratado con plasma controla la morfología de nucleación inicial de AlN para prealmacenar suficiente tensión de tracción en la epicapa para compensar para la tensión de compresión causada por la red y el desajuste térmico durante la heteroepitaxia, produciendo así una película de AlN libre de tensión.
"El mapeo del espacio recíproco del DUV-LED tal como se fabricó revela una tensión de compresión débil en la capa de n-AlGaN de 1,8 μm, lo que indica que la película de AlN libre de tensión como capa de plantilla confiable permite el estado cristalino de alta calidad de la parte superior Estructura epitaxial LED.
"El LED DUV de 283 nm fabricado con grafeno exhibe una potencia de salida de luz 2,1 veces mayor en comparación con su contraparte en zafiro desnudo y una estabilidad favorable de la longitud de onda luminosa en un rango de corriente de 10 mA a 80 mA, lo que se atribuye a la mejor calidad del cristal. con una deformación residual débil de la estructura epitaxial a base de grafeno.
"Este trabajo revela el mecanismo interno del crecimiento QvdW de nitruro para mejorar la calidad epitaxial en sustratos con gran desajuste y, sin duda, arroja luz sobre la promoción adicional de la fabricación de dispositivos basados en nitruro". Los cristales de grafeno crecen mejor bajo la cubierta de cobre
