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要約

ナノパターンサファイア基板上の高品質AlNフィルムのグラフェン支援成長のためのプロトコルが提示される。

要約

このプロトコルは、ナノパタンサファイア基板(NPSS)上のAlNのグラフェン支援クイック成長および合体の方法を示す。グラフェン層は、触媒フリーの気圧化学気相成長(APCVD)を使用してNPSS上で直接成長します。窒素反応性イオンエッチング(RIE)プラズマ処理を施すことで、グラフェン膜に欠陥が導入され、化学的反応性を高めます。AlNの金属有機化学気相成長(MOCVD)成長中に、このNプラズマ処理グラフェンバッファーはAlNの迅速な成長を可能にし、NPSS上の合体は断面走査電子顕微鏡(SEM)によって確認される。グラフェン-NPSS上のAlNの高品質は、狭い(0002)と(10-12)の全幅が267.2アークセックと503.4アークセックとして狭いX線ロッキング曲線(XRC)と(10-12)によって評価されます。裸のNPSSと比較して、グラフェン-NPSSのAlNの成長は、ラマン測定値に基づいて0.87 GPaから0.25 Gpaへの残留ストレスの有意な減少を示す。続いて、グラフェン-NPSS上でのAlGaNの複数の量子井戸(MQWS)の成長、AlGaNベースの深い紫外線発光ダイオード(DUV LED)が製造される。製造されたDUV-LEDはまた明らかな、高められた発光性能を示す。この研究は、高品質のAlNの成長と、より短いプロセスと低コストを使用した高性能DUV-LEDの製造のための新しいソリューションを提供します。

概要

AlNおよびAlGaNは、殺菌、ポリマー硬化、生化学的検出、非視線通信、特殊照明3など様々な分野で広く使用されているDUV-LED1、2において最も重要な材料である。12本質的な基質の不足のために、MOCVDによるサファイア基板上のAlNヘテロエピタキシーは、最も一般的な技術的ルート4となっている。しかし、AlNとサファイア基板の間の大きな格子ミスマッチは、応力蓄積55、6、6高密度転位、およびスタック障害7を導く。したがって、LEDの内部量子効率は8.ここ数十年、パターン化サファイア(PSS)を基質として使用してAlNエピタキシャル横成長(ELO)を誘導し、この問題を解決することが提案されている。さらに、AlNテンプレート99、10、1110の成長に大きな進歩が見られました。しかしながら、高い表面接着係数と接着エネルギー(AlNの場合は2.88eV)を有する場合、Al原子は原子表面移動性が低く、AlNの成長は三次元島成長モード12を有する傾向にある。したがって、NPSS上のAlN膜のエピタキシャル成長は困難であり、より高い合体厚さ(3μm以上)を必要とし、平らなサファイア基板よりも高い合体厚さ、より長い成長時間を引き起こし、高コスト9を必要とする。

近年、グラフェンは、sp2ハイブリダイズ炭素原子13の六角形配置によるAlN成長のバッファ層としての使用に大きな可能性を示している。また、グラフェン上のAlNの準ファンデルワールスエピタキシー(QvdWE)は、不一致効果を低減し、AlN成長14、15,15のための新たな道を開いた。グラフェンの化学的反応性を高めるために、Chenららは、バッファ層としてN2-プラズマ処理グラフェンを用い、高品質AlN及びGaNフィルム8のQvdWEを決定し、グラフェンを緩衝層として利用することを示す。

N2-プラズマ処理グラフェンテニックと市販のNPSS基質を組み合わせることで、このプロトコルはグラフェン-NPSS基板上でAlNの迅速な成長と合体のための新しい方法を提示する。グラフェン-NPSS上のAlNの完全に合体厚は1μm未満であることが確認され、エピタキシャルAlN層は高品質でストレスが放出されます。この方法は、AlNテンプレートの大量生産のための新しい方法を開き、AlGaNベースのDUV-LEDのアプリケーションに大きな可能性を示しています。

プロトコル

注意:これらの方法で使用される化学物質のいくつかは、急性毒性および発がん性である。ご利用前に、関連する全ての材料安全データシート(MSDS)をご確認ください。

1. ナノインプリントリソグラフィによるNPSSの作成(NIL)

  1. SiO2フィルムの蒸着
    1. 2インチcプレーンフラットサファイア基板をエタノールで洗浄し、続いて脱イオン水を3回洗浄します。
    2. 窒素銃で基板を乾燥させます。
    3. プラズマ強化化学気相蒸着(PECVD)により平らなサファイア基板上に200nmSiO2膜を300°C下で堆積させる。堆積速度は100 nm/minです。
  2. スピンナノインプリントレジスト
    1. サファイア基板をエタノールで洗浄し、続いて脱イオン水3倍にします。
    2. 窒素銃で基板を乾燥させます。
    3. 平らなサファイア基板上で200 nmのナノインプリントレジスト(NIR)TU-2を3000 r/minで60 s回転させます。
  3. 熱可塑性刷り込み
    1. ナノインプリントレジストポリマーフィルムにパターン化された金型を貼ります。
    2. 60°Cで30棒として高圧を適用し、ポリマーのガラス転移温度を上回るまでサファイア基板を加熱する。
    3. 60sの紫外線照射に露出し、NPR TU-2を固めるために紫外線源をオフにした後、120 sのために維持する。
    4. サファイア基板を冷却し、室温(RT)にモールドします。
    5. 金型を放します。
  4. パターン転送
    1. BCl3と共に誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング(ICP-RIE)によりNIR上のナノホールから露出したサファイア基板をエッチングし、サファイア基板上にパターンを転写する。エッチングパワーは700W、エッチング時間は3分です。
    2. RIEシステムで20sのO2プラズマエッチングにより残留NPR TU-2を取り外します。エッチング圧力は5mTorrであり、エッチング力は100Wである。最後に、不エッチング領域の幅は300nmで、奥行きは400nmです。パターンの周期は1μmである。
      注: NPSS を取得する唯一の方法は NIL ではありません。NPSSは商品化されており、他の場所で購入することができます。

2. NPSSにおけるグラフェンのAPCVD成長

  1. NPSSをアセトン、エタノール、脱イオン水3xでリンスします。
  2. 窒素銃でNPSSを乾燥させます。
  3. NPSSを3ゾーンの高温炉に積み込み、長く平らな温度帯を実現します。炉を1050°Cに加熱し、500 sccm Arと300 sccm H2の下で10分間安定させます
  4. 30 sccmCH4を反応チャンバーに導入し、NPSS上でグラフェンを3時間成長させた。グラフェンの成長後、CH4をオフにして自然に冷却します。

3. N2-プラズマ処理

  1. グラフェン-NPSSを脱イオン水でリンスします。
  2. 窒素銃でNPSSを乾燥させます。
  3. グラフェン-NPSSをN2プラズマでエッチングし、30sのN2流量を300sccm、反応性イオンエッチング(RIE)チャンバーで50Wのパワーを有する。

4. グラフェン-NPSSにおけるAlNのMOCVD成長

  1. AlNの成長のためのMOCVDのレシピを編集し、グラフェン-NPSSとそのNPSS対応を自家製のMOCVDチャンバーにロードします。
  2. 12分間加熱した後、温度は1200°Cで安定する。7000 sccmH2をアンビエントとして導入し、70 sccmトリメチルアルミニウム(TMAl)、および500 sccmNH3を2時間のAlNの成長に導入する。

5. アルガン・ムキューのMOCVD成長

  1. MOCVDチャンバーの温度を1130 °Cに下げて、20周期AlN(2 nm)/Al0.6Ga0.4N(2nm)層超格子(SL)をTMAlフローの周期的な変化で成長させ、堆積成分を調整します。周囲のガスはH2です。AlN の TMAl、TMGa、NH3のモルの流量は 50 sccm、0 sccm、および 1000 sccm です。AlGaNは、それぞれ32sccm、7 sccm、および2,500sccmです。
  2. MOCVDチャンバの温度を1002 °Cに下げ、1.8 μm n-Al0.55Ga0.45N層の成長のためのシリコーン流れを導入します。周囲のガスはH2であり、n型AlGaNの濃度は5 x 1018 cm-3である。
  3. TMAlを24 sccmから14 sccmに、TMGaを7 sccmから8 sccmに切り替えることで、5期間Al0.6Ga0.4N(3nm)/Al0.5Ga0.5N(12 nm)MQWを成長させ、1002°Cの各期間に対してTMGaを7 sccmから8 sccmに切り替えます。周囲のガスはH2です。
  4. 50 nm Mgドープ p- Al0.65Ga0.35N 電子遮断層 (EBL) を 1002 °Cで堆積する。TMAl、TMGa、NH3のモルの流れ速度は40 sccm、6 sccm、および2500 sccmです。周囲のガスはH2です。
  5. 2500 sccmのNH3フローを有する30 nm p-Al0.5Ga0.5Nクラッディング層を堆積する。周囲のガスはH2です。
  6. 2500 sccmのNH3フローで150 nm p-GaN接触層を堆積する。周囲のガスはH2です。TMGaとNH3のモルの流れ率は8 sccmおよび2500 sccmである。p-AlGaNの穴濃度は5.4 x 1017 cm-3です。
  7. MOCVDチャンバーの温度を800°Cに下げ、20分間N2でp型層をアニールします。周囲のガスはN2です。

6. アルガンベースのDUV-LEDの製造

  1. ウエハおよびリソグラフィ上でフォトレジスト4620を紡ぐ。紫外線露光時間、現像時間、およびリンス時間はそれぞれ8s、30s、2分である。
  2. p-GaNのICPエッチング。また、エッチング力、エッチング圧力、GaNのエッチング速度はそれぞれ450W、4mトール、5.6nm/sです。
  3. サンプルを80°Cで15分間アセトンに入れ、その後エタノールと脱イオン水3倍でサンプルを洗浄します。
  4. ネガフォトレジストNR9およびリソグラフィを紡ぐ。紫外線露光時間、現像時間、およびリンス時間はそれぞれ12s、20s、2分である。
  5. 試料をアセトン、エタノール、脱イオン水3xで洗浄します。
  6. 電子ビーム(EB)蒸発によるTi/Al/Ti/Auの堆積物。
  7. スピンネガティブフォトレジストNR9およびリソグラフィ。紫外線露光時間、現像時間、およびリンス時間はそれぞれ12s、20s、2分である。
  8. サンプルをアセトン、エタノール、および脱イオン水3xで超音波処理せずに洗浄します。
  9. EB蒸発によってNi / Auを堆積する。
  10. サンプルをエタノールと脱イオン水3倍で洗浄し、サンプルを洗浄します。
  11. 血漿によって300nmSiO2を堆積させる化学気相堆積物(PECVD)。2蒸着温度は300°C、堆積速度は100 nm/minです。
  12. スピンフォトレジスト304とリソグラフィ。紫外線露光時間、現像時間、およびリンス時間はそれぞれ8s、1分、2分である。
  13. ウエハーを15の23%HF溶液に浸します。
  14. エタノールと脱イオン水3xでサンプルを洗浄し、窒素銃で乾燥させます。
  15. フォトリソグラフィ後のEB蒸発によるアル/ティ/オーの堆積物。フォトリソグラフィプロセスは、手順6.4~6.7で行ったプロセスと同じです。
  16. エタノールと脱イオン水3倍でサンプルを洗浄します。
  17. サファイアを130μmに研磨し、機械研磨で研磨します。
  18. サンプルを脱蝋液と脱イオン水で洗います。
  19. レーザーでウエハー全体を0.5mm x 0.5mmデバイスに切り、メカニカルダイサーを使用してチップに切ります。

結果

走査型電子顕微鏡(SEM)画像、X線回折ロッキング曲線(XRC)、ラマンスペクトル、透過電子顕微鏡(TEM)画像、およびエレクトロルミネッセンス(EL)スペクトルを、エピタキシャルAlN膜(図1、図2)およびAlGaNベースのDUV-LED(図3)に対して収集した。SEMおよびTEMはグラフェン-NPSS上のAlNの形態を決定するために使用される。XRDとラマンは、?...

ディスカッション

図1Aに示すように、NIL技術によって調製されたNPSSは、400nmの深さ、1μm周期のパターン、および300nm幅の無エッチング領域を有するナノ凹状コーンパターンを示す。グラフェン層のAPCVD成長後、グラフェン-NPSSを図1Bに示す。ラマンスペクトル図1CCにおけるNプラズマ処理グラフェンのDピーク...

開示事項

著者らは開示するものは何もない。

謝辞

この研究は、中国国家キーR&Dプログラム(No. 2018YFB0406703)、中国国立自然科学財団(No.61474109、61527814、114742774、61427901)、北京自然科学財団(No 418203)によって財政的に支援されました。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Acetone,99.5%Bei Jing Tong Guang Fine Chemicals company1090
APCVDLinderbergBlue M
EBASTPeva-600E
Ethonal,99.7%Bei Jing Tong Guang Fine Chemicals company1170
HF,40%Beijing Chemical Works1789
ICP-RIEASTCirie-200
MOCVDVEECOP125
PECVDOerlikon790+
Phosphate,85%Beijing Chemical Works1805
Sulfuric acid,98%Beijing Chemical Works10343

参考文献

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  2. Yun, J., Hirayama, H. Investigation of the light-extraction efficiency in 280 nm AlGaN-based light-emitting diodes having a highly transparent p-AlGaN layer. Journal of Applied Physics. 121, 013105 (2017).
  3. Khan, A., Balakrishnan, K., Katona, T. Ultraviolet light-emitting diodes based on group three nitrides. Nature Photonics. 2, 77-84 (2008).
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  20. Chang, H., et al. Graphene-assisted quasi-van der Waals epitaxy of AlN film for ultraviolet light emitting diodes on nano-patterned sapphire substrate. Applled Physics Letters. 114, 091107 (2019).

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