新型石墨烯基LED器件：从生长机理到器件特性
发布时间：2021-01-21 05:19
III族氮化物因具有禁带宽度大、击穿电压高、电子饱和漂移速度大、稳定性高等优异特性而广泛应用在发光二极管（LED）、激光器以及高频器件中。目前III族氮化物薄膜通常是异质外延生长在蓝宝石衬底表面,但是由于蓝宝石与III族氮化物之间存在较大的晶格失配与热失配,使得外延生长的III族氮化物内部存在较大的应力与较高的位错密度,严重影响了器件性能;与此同时,蓝宝石衬底热导率差,限制了其在大功率器件方面的应用。近年来研究发现,石墨烯作为外延生长缓冲层,能够有效解决蓝宝石衬底与外延III族氮化物薄膜之间由于晶格失配和热失配导致的高应力与高位错密度等问题,进而获得了高品质薄膜,并提升了器件的性能。本文综述了石墨烯/蓝宝石衬底上III族氮化物生长与LED器件构筑的研究现状,着重介绍了本课题组提出的一种新型外延衬底—石墨烯/蓝宝石衬底的特点,阐明了III族氮化物在该新型衬底上的生长机理,总结了其对III族氮化物质量提升的作用,并对其发展前景进行了展望。
【文章来源】：物理化学学报. 2020,36(01)北大核心
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
AlN在石墨烯/蓝宝石新型衬底上的位错密度降低34
AlN在石墨烯/蓝宝石新型衬底上的生长模型
蓝宝石制备工艺技术成熟，可以批量化生产，机械强度高，并且其稳定性较高，熔点在1700°C左右，可以承受较高的生长温度，满足石墨烯和氮化物的生长要求。如图1所示，在蓝宝石衬底上直接生长石墨烯可获得石墨烯/蓝宝石新型衬底。在保持蓝宝石原有特性的基础上，可以将石墨烯优异的特性赋予蓝宝石衬底。石墨烯和蓝宝石都具有优异的稳定性和透明性，满足氮化物薄膜外延生长要求。同时石墨烯和蓝宝石在导电性、导热性和柔性等方面形成互补，可改善蓝宝石热导率差、绝缘不导电等问题。更为重要的是，在石墨烯上生长III-N薄膜属于准范德华外延，氮化物薄膜与蓝宝石衬底之间不再形成强化学键，界面相互作用变弱，因此蓝宝石衬底与氮化物外延层之间的晶格失配和热失配的影响极大地被削弱，从而能获得高品质半导体薄膜。相比于金属衬底而言，蓝宝石作为绝缘衬底，在石墨烯的生长过程中对碳源的催化效果十分有限，因此热裂解是碳源裂解的主要方式，生长温度通常在1000°C以上47。为保证充足的活性碳物种浓度，通常采用常压化学气相沉积(CVD)体系48。裂解后的活性碳物种会吸附至蓝宝石衬底表面，当浓度超过临界成核浓度时，就会在能量较高的活性位点处成核、生长。由于碳物种在氧化物表面上的迁移势垒很高(≈1 eV)49，横向迁移受到限制，使得石墨烯在蓝宝石上生长速度缓慢。进一步延长生长时间，石墨烯小晶畴互相拼接，最终形成完整的薄膜。图2a是在2 inch蓝宝石晶圆上生长完石墨烯的实物照片，相比于生长之前衬度加深，证明有石墨烯包覆。通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)，可以看出石墨烯完整的覆盖平面蓝宝石衬底(图2b)和纳米图形化蓝宝石衬底(图2c)表面。采用拉曼光谱进一步表征石墨烯的质量与均匀性，在石墨烯/蓝宝石晶圆的不同位置处收集的拉曼光谱均表现出石墨烯的特征峰(图2d):1348 cm-1(D峰)、1586 cm-1(G峰)和2680cm-1(2D峰)。而且从不同点采集的数据具有相似的峰强和半高宽，证明石墨烯在整个蓝宝石晶圆上分布均匀。拉曼光谱面扫描结果显示，石墨烯的G峰强度在微米尺度内几乎一致，结果如图2e所示。X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)分析表明，C 1s XPS谱具有典型的石墨烯特征峰，C sp2峰(～284.8 eV),C―H峰(285.0 eV)和较宽的C―O峰(图2g)，证明石墨烯具有相当高的结晶质量。此外，全谱中仅有C,Al,O元素(图2f)，证明该石墨烯生长过程不会引入其他金属残留，获得的石墨烯/蓝宝石衬底可直接适用于金属有机化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)体系，不会污染腔室。借助透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)通过石墨烯的边缘判断直接生长的石墨烯薄膜层数大部分为单层(图2h)。在球差校正扫描透射电子显微镜(spherical aberration corrected transmission electron microscope,STEM)下，可以看到完美的石墨烯原子相，再次表明在蓝宝石衬底上直接生长的石墨烯具有较高的结晶性(图2i)。另外电镜数据也表明石墨烯的畴区尺寸较小，晶界密度较高。综上，在蓝宝石衬底上直接生长的石墨烯，非常均匀，结晶性良好，层数以单层为主，无金属残留，可作为新型外延衬底，满足氮化物外延生长需求。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于二维材料的Ⅲ族氮化物外延[J]. 谭晓宇,杨少延,李辉杰. 化学学报. 2017(03)
本文编号：2990537
【文章来源】：物理化学学报. 2020,36(01)北大核心
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
AlN在石墨烯/蓝宝石新型衬底上的位错密度降低34
AlN在石墨烯/蓝宝石新型衬底上的生长模型
蓝宝石制备工艺技术成熟，可以批量化生产，机械强度高，并且其稳定性较高，熔点在1700°C左右，可以承受较高的生长温度，满足石墨烯和氮化物的生长要求。如图1所示，在蓝宝石衬底上直接生长石墨烯可获得石墨烯/蓝宝石新型衬底。在保持蓝宝石原有特性的基础上，可以将石墨烯优异的特性赋予蓝宝石衬底。石墨烯和蓝宝石都具有优异的稳定性和透明性，满足氮化物薄膜外延生长要求。同时石墨烯和蓝宝石在导电性、导热性和柔性等方面形成互补，可改善蓝宝石热导率差、绝缘不导电等问题。更为重要的是，在石墨烯上生长III-N薄膜属于准范德华外延，氮化物薄膜与蓝宝石衬底之间不再形成强化学键，界面相互作用变弱，因此蓝宝石衬底与氮化物外延层之间的晶格失配和热失配的影响极大地被削弱，从而能获得高品质半导体薄膜。相比于金属衬底而言，蓝宝石作为绝缘衬底，在石墨烯的生长过程中对碳源的催化效果十分有限，因此热裂解是碳源裂解的主要方式，生长温度通常在1000°C以上47。为保证充足的活性碳物种浓度，通常采用常压化学气相沉积(CVD)体系48。裂解后的活性碳物种会吸附至蓝宝石衬底表面，当浓度超过临界成核浓度时，就会在能量较高的活性位点处成核、生长。由于碳物种在氧化物表面上的迁移势垒很高(≈1 eV)49，横向迁移受到限制，使得石墨烯在蓝宝石上生长速度缓慢。进一步延长生长时间，石墨烯小晶畴互相拼接，最终形成完整的薄膜。图2a是在2 inch蓝宝石晶圆上生长完石墨烯的实物照片，相比于生长之前衬度加深，证明有石墨烯包覆。通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)，可以看出石墨烯完整的覆盖平面蓝宝石衬底(图2b)和纳米图形化蓝宝石衬底(图2c)表面。采用拉曼光谱进一步表征石墨烯的质量与均匀性，在石墨烯/蓝宝石晶圆的不同位置处收集的拉曼光谱均表现出石墨烯的特征峰(图2d):1348 cm-1(D峰)、1586 cm-1(G峰)和2680cm-1(2D峰)。而且从不同点采集的数据具有相似的峰强和半高宽，证明石墨烯在整个蓝宝石晶圆上分布均匀。拉曼光谱面扫描结果显示，石墨烯的G峰强度在微米尺度内几乎一致，结果如图2e所示。X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)分析表明，C 1s XPS谱具有典型的石墨烯特征峰，C sp2峰(～284.8 eV),C―H峰(285.0 eV)和较宽的C―O峰(图2g)，证明石墨烯具有相当高的结晶质量。此外，全谱中仅有C,Al,O元素(图2f)，证明该石墨烯生长过程不会引入其他金属残留，获得的石墨烯/蓝宝石衬底可直接适用于金属有机化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)体系，不会污染腔室。借助透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)通过石墨烯的边缘判断直接生长的石墨烯薄膜层数大部分为单层(图2h)。在球差校正扫描透射电子显微镜(spherical aberration corrected transmission electron microscope,STEM)下，可以看到完美的石墨烯原子相，再次表明在蓝宝石衬底上直接生长的石墨烯具有较高的结晶性(图2i)。另外电镜数据也表明石墨烯的畴区尺寸较小，晶界密度较高。综上，在蓝宝石衬底上直接生长的石墨烯，非常均匀，结晶性良好，层数以单层为主，无金属残留，可作为新型外延衬底，满足氮化物外延生长需求。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于二维材料的Ⅲ族氮化物外延[J]. 谭晓宇,杨少延,李辉杰. 化学学报. 2017(03)
本文编号：2990537
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