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石墨烯驱动应变工程可实现用于深紫外发光二极管的AlN薄膜的无应变外延

导读AlN基材料的直接带隙使其适用于制造深紫外光电子器件,在固化、水和空气消毒、医药和生物化学等领域具有广泛的应用前景。因此,实现高质量

AlN基材料的直接带隙使其适用于制造深紫外光电子器件,在固化、水和空气消毒、医药和生物化学等领域具有广泛的应用前景。因此,实现高质量的AlN薄膜外延对于保证DUV光电器件的优异性能尤为重要。

目前,由于缺乏具有成本效益的均质衬底,生长AlN薄膜的最佳选择通常是在蓝宝石上进行异质外延生长。不幸的是,AlN和蓝宝石衬底之间的固有失配不可避免地会在AlN外延层中引入各种晶体缺陷。特别是AlN薄膜中较大的残余应变导致上层AlGaN层中Al分布的不均匀,伴随晶圆弯曲,严重限制了器件性能。因此,实现异质外延AlN薄膜的高质量生长,满足深紫外光电子器件的应用需求,需要一个可行的策略实现质的飞跃。

近年来,人们提出了一种基于二维(2D)材料的准范德华(QvdW)外延或远程外延方法,用于III族氮化物的高质量异质外延生长。作为一种广泛研究的二维材料,石墨烯已被纳入氮化物外延生长的缓冲层,以有效缓解外延层与衬底之间的晶格失配和热失配。以往关于石墨烯上外延氮化膜的报道通常称外延系统的应力松弛是通过石墨烯与外延层之间的弱相互作用来实现的,但缺乏详细的讨论或对此说法的严格验证。

最近,Dou等人。通过像差校正透射电子显微镜观察直接生长的石墨烯与蓝宝石界面处的化学键形成,发现石墨烯与蓝宝石之间存在强相互作用,这将不可避免地颠覆传统的通过石墨烯与衬底之间的弱vdW相互作用对应力松弛的看法.因此,AlN薄膜在石墨烯上的QvdW外延机制值得进一步探索,这对于精确控制AlN薄膜的质量,进一步提升DUV光电器件的性能至关重要。

在发表于LightScience&Application的新论文中,由中国科学院半导体研究所半导体照明技术研发中心魏通波教授领导的科学家团队及其同事成功通过Gr驱动应变预存储工程实现了高质量的无应变AlN薄膜,并提出了QvdW外延中独特的应变松弛机制。同时,在石墨烯/蓝宝石上生长的无应变AlN薄膜可用作DUV-LED器件高质量外延的可靠模板层。

他们将研究的重点总结如下:

“具有石墨烯的AlN外延层的位错密度在QvdW外延过程中表现出异常的锯齿状演变,并且该值始终低于裸蓝宝石上的位错密度。最后,石墨烯使AlN薄膜的位错密度降低了62.6%.

“引入第一性原理计算来阐明石墨烯调节AlN薄膜应变状态的机制。揭示了等离子体处理的石墨烯控制了AlN的初始成核形态,以在外延层中预存足够的拉伸应变以补偿用于异质外延过程中由晶格和热失配引起的压缩应变,从而产生无应变的AlN薄膜。

“所制造的DUV-LED的倒数空间映射揭示了1.8μmn-AlGaN层中的弱压缩应变,表明无应变AlN薄膜作为可靠的模板层能够实现上层的高质量结晶状态LED外延结构。

“使用石墨烯制成的283nmDUVLED的光输出功率比裸蓝宝石上的对应物高2.1倍,并且在10mA至80mA的电流范围内具有良好的发光波长稳定性,这归因于更好的晶体质量具有基于石墨烯的外延结构的弱残余应变。

“这项工作揭示了氮化物QvdW生长以提高大失配衬底上的外延质量的内在机制,无疑为进一步推动基于氮化物的器件制造提供了启示。”

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