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刘忠范、高鹏、李晋闽、魏宇杰合作J. Am. Chem. Soc.工作:石墨烯/蓝宝石基底上无应力AlN的快速生长

该工作清晰地研究了石墨烯在第三代半导体材料生长中的作用,揭示了AlN在石墨烯覆盖的蓝宝石上的生长行为,以及石墨烯对于AlN应力释放、缺陷密度降低的影响,为石墨烯的应用开辟了新的领域,也为提升第三代半导体材料质量提供了新的途径。

【引言】

第三代半导体材料(AlN、GaN等)在发光二极管、激光二极管、紫外辐射源、高频功率电子学等领域具有广阔的应用前景。制备第三代半导体材料的常用方法是金属有机化学气相沉积(MOCVD)法,蓝宝石、硅、碳化硅等常被用作生长基底。但是,在材料外延过程中,基底与第三代半导体之间存在较大的晶格失配和热失配,这会导致材料中应力的积累以及缺陷密度的升高。除此之外,在材料岛状拼接生长过程中,在拼接界面处常常会出现大量的缺陷结构。上述两个过程所产生的缺陷结构会严重降低材料的质量,进而会影响器件的发光效率。

石墨烯具有诸多优异的物理化学性质,例如:超高的热导率、负膨胀系数及表面无悬挂键,等等。因此,石墨烯缓冲层在第三代半导体材料中的应用有望缓解器件的散热、热失配及晶格失配等问题,与此同时还可以降低材料的成核密度,减弱材料中的应力积累,进而降低缺陷密度,提高晶体质量。

【成果简介】

近日,J. Am. Chem. Soc. 在线刊登了北京大学刘忠范教授课题组、高鹏研究员课题组与中国科学院半导体研究所李晋闽研究员课题组、中国科学院力学研究所魏宇杰研究员课题组合作发表的题为“Fast Growth of Strain-Free AlN on Graphene-Buffered Sapphire”的工作。该工作研究了AlN在石墨烯覆盖的蓝宝石上的生长行为,以及石墨烯对于AlN应力释放、缺陷密度降低的影响。研究表明:石墨烯缓冲层的引入可以显著降低AlN的成核密度,减小由于畴区拼接造成的缺陷结构密度。与此同时,石墨烯的插入还可以有效地释放AlN与蓝宝石之间由于晶格失配和热失配造成的应力。

【图文导读】

图一.石墨烯对于蓝宝石基底上AlN生长的影响

刘忠范、高鹏、李晋闽、魏宇杰合作J. Am. Chem. Soc.工作:石墨烯/蓝宝石基底上无应力AlN的快速生长

(a-d)石墨烯插入层对AlN成核的影响;

(e)石墨烯/蓝宝石及裸露蓝宝石区域AlN成核密度统计;

(f)裸露蓝宝石及石墨烯/蓝宝石上AlN成膜的SEM表征;

图二.石墨烯缓冲层对于蓝宝石上AlN应力释放的影响

刘忠范、高鹏、李晋闽、魏宇杰合作J. Am. Chem. Soc.工作:石墨烯/蓝宝石基底上无应力AlN的快速生长

(a)石墨烯/蓝宝石基底上生长的AlN的AFM表征;

(b)AlN/石墨烯/蓝宝石截面样的选区电子衍射;

(c-f)AlN/石墨烯/蓝宝石及AlN/蓝宝石平面样的选区电子衍射及其对应的示意图;

图三. AlN/蓝宝石及AlN/石墨烯/蓝宝石体系中应力的拉曼表征

刘忠范、高鹏、李晋闽、魏宇杰合作J. Am. Chem. Soc.工作:石墨烯/蓝宝石基底上无应力AlN的快速生长

(a,b)AlN,AlN/蓝宝石及AlN/石墨烯/蓝宝石中AlN的E2 (high)峰 及A(LO)峰的拉曼位移;

(c)AlN,AlN/蓝宝石及AlN/石墨烯/蓝宝石中蓝宝石特征拉曼峰的位移;

(d)AlN/石墨烯/蓝宝石中石墨烯的G峰及2D峰的拉曼位移;

(e,f)AlN/石墨烯/蓝宝石及AlN/蓝宝石中AlN的E2 (high)峰大范围拉曼Mapping;

图四. 关于AlN/蓝宝石及AlN/石墨烯/蓝宝石体系中AlN-Al2O3结合能及AlN中应力的理论计算

刘忠范、高鹏、李晋闽、魏宇杰合作J. Am. Chem. Soc.工作:石墨烯/蓝宝石基底上无应力AlN的快速生长

(a-f)AlN/蓝宝石及AlN/石墨烯/蓝宝石的理论计算模型;

(g)AlN/蓝宝石及AlN/石墨烯/蓝宝石体系中AlN-Al2O3之间的结合能;

(h,i)AlN/蓝宝石及AlN/石墨烯/蓝宝石体系中AlN的应力;

【小结】

该工作清晰地研究了石墨烯在第三代半导体材料生长中的作用,揭示了AlN在石墨烯覆盖的蓝宝石上的生长行为,以及石墨烯对于AlN应力释放、缺陷密度降低的影响,为石墨烯的应用开辟了新的领域,也为提升第三代半导体材料质量提供了新的途径。

原文链接:Fast Growth of Strain-Free AlN on Graphene-Buffered Sapphire (J. Am. Chem. Soc., 2018, 140 (38), pp 11935–11941, DOI: 10.1021/jacs.8b03871 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b03871)

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