光州科学技术研究所Dong-Seon Lee–石墨烯的稳定性及AlN表面凹坑对GaN远程异质外延剥离的影响

远程外延是一种很有前途的技术，最近引起了相当大的关注，它能够生长出通过二维材料夹层复制衬底晶体特性的薄膜。生长的薄膜可以剥离以形成独立的膜，尽管如果衬底材料在苛刻的外延条件下容易损坏，应用这种技术通常是具有挑战性的。例如，由于这种损伤，石墨烯/GaN模板上的GaN薄膜的远程外延尚未通过标准的金属-有机化学气相沉积（MOCVD）方法实现。在此，本文报道了通过MOCVD在石墨烯/AlN模板上进行GaN远程异质外延，并研究了AlN中的表面凹坑对GaN薄膜生长和剥离的影响。我们首先展示了石墨烯在生长GaN之前的热稳定性，在此基础上开发了GaN在石墨烯/AlN上的两步生长。GaN样品在750℃的第一步生长后成功剥离，而在1050℃的第二步生长后剥离失败。深入分析证实，AlN模板中的凹坑导致该区域附近石墨烯的降解，从而导致生长模式的改变和剥离失败。这些结果举例说明了生长模板的化学和地形特性对于成功的远程外延的重要性。这是III族氮化物基远程外延的关键因素之一，这些结果有望对仅使用MOCVD实现完全远程外延有很大帮助。

图1.GaN远程异质外延和剥离。（a） AlN模板上GaN远程异质外延的示意图，包括剥离和石墨烯热退火测试。（b） 与温度相关的GaN生长过程图。

图2:石墨烯热退火试验。（a） 根据热退火温度差的拉曼光谱的比较。（b，c）I_2D/I_G比率分别在1050°c（样品c）和1130°c（样本D）下的拉曼映射。（d） 用于检查石墨烯表面状况的AFM图像。红色箭头为石墨烯褶皱，蓝色箭头为AlN表面凹坑，黄色箭头为PMMA残留物，绿色箭头为石墨石墨烯痕迹。所有比例尺均为5μm。

图3.石墨烯/AlN上生长的GaN的检查。第一次生长GaN（a，e）、第二次生长5分钟（b，f）、第三次生长10分钟（c，g）和第二次增长60分钟（d，h）后的顶视图SEM图像和XRD 2-θ扫描。红色虚线圆圈是随机取向的GaN晶粒，黄色箭头是平面内排列。所有比例尺均为4μm。

图4.在第二个GaN生长步骤之后的XRD数据以确认结晶度。（a） GaN（002）在石墨烯/AlN和裸AlN上的摇摆曲线。（b） GaN（104）在石墨烯/AlN和裸AlN上的摇摆曲线。（c） φ-石墨烯/AlN模板上GaN的扫描，显示平面内排列。（d，e）GaN（002）和（102）的极性图。

图5.第一次和第二次生长GaN后的剥离测试。（a，b）样品1和2剥离后的照片。样品1在第一次GaN生长之后。样品2在第二次GaN生长之后。红色虚线方块是样品1的剥落区域。比例尺为5mm。（c，d）剥离后样品1表面的显微镜图像和拉曼光谱。（c）中的比例尺为20μm。（e，f）剥离后TRT上的显微镜图像和拉曼光谱。（e）中的比例尺为20μm。

图6.用于确认石墨烯的HR-TEM图像和EDS分析。（a） 第二次GaN生长后样品的横截面TEM图像。比例尺为1μm。（b） 坑附近的放大图像（（a）的红色虚线框）。比例尺为100纳米。（c） 沿着凹坑侧面的放大图像（（b）的绿色虚线框）。比例尺为5 nm。（d） 距离凹坑几微米远的ABF图像（（a）的蓝色虚线框）。比例尺为25纳米。（e） 沿（d）中箭头方向的路径的EDS原子百分比。（f） 从（d）的黄色虚线框放大的ABF-STEM图像。比例尺为2 nm。

图7.石墨烯/AlN模板上的初始GaN生长图案。（a） 生长在石墨烯上的GaN岛的俯视SEM图像（在持续5分钟的第一个GaN生长步骤之后）。比例尺为1μm。（b） 石墨烯/AlN坑上GaN生长模式示意图。紫色结构是受AlN凹坑影响的GaN核。红色箭头是预期的GaN生长方向。（c） 初始生长和结晶后AlN坑附近生长图案的截面SEM图像。比例尺，500纳米。

图8.AlN模板的图像。（a） 2英寸的照片。石墨烯转移前的AlN模板。比例尺，1.5厘米。GIST允许在背景上使用GIST标志。（b） 同一模板中心区域的显微镜图像。比例尺，40μm。（c）相同模板的更高量级SEM图像。比例尺相同，5纳米。红色填充的虚线区域是石墨烯预计在第二GaN生长步骤期间被损坏的地方。受损区域可能比虚线区域还要大。

相关研究成果由光州科学技术研究所Dong-Seon Lee等人2023年发表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02565)上。原文：Stability of Graphene and Influence of AlN Surface Pits on GaN Remote Heteroepitaxy for Exfoliation。