Die Fernepitaxie hat im Bereich der Halbleiterfertigung zunehmend an Bedeutung gewonnen, um dünne Filme zu züchten, die die Kristallstruktur des Templats kopieren und später abgelöst werden können, um freistehende Membranen zu bilden. Allerdings können raue Epitaxiebedingungen häufig zu Schäden an den Templatmaterialien führen, wie zum Beispiel im Fall der Fernepitaxie von GaN-Dünnfilmen, vielversprechenden Materialien für Leuchtdioden, Fotodetektoren und leistungselektronischen Geräten, auf Graphen/AlN-Templaten.
Die GaN-Remote-Heteroepitaxie konnte aufgrund der hohen Temperaturen, die bei diesem Prozess auftreten, nicht mit einer standardmäßigen metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidungstechnik (MOCVD) erreicht werden. Es wurde berichtet, dass Graphen, das in einer extremen Umgebung wie hohen Temperaturen oder der Verwendung eines aktiven Gases bei MOCVD auf einem Substrat platziert wird, aufgrund chemischer Instabilität beschädigt wird, was dazu führt, dass gewachsene GaN-Filme nicht abgeblättert werden.
Vor diesem Hintergrund hat ein Forscherteam unter der Leitung von Dong-Seon Lee, Leiter der Abteilung für Halbleitertechnik und Professor an der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik am Gwangju-Institut für Wissenschaft und Technologie, kürzlich Fernepitaxie zum Wachstum von GaN eingesetzt Dünnfilme auf Graphen/AlN-Templaten mittels MOCVD und untersuchten die Auswirkung von Oberflächenvertiefungen in AlN auf das Wachstum und die Abblätterung dieser Dünnfilme.
Ihr Artikel wurde veröffentlicht in ACS Nano.
Die Forscher führten zunächst einen 5-minütigen Tempertest bei 950 °C durch, um die thermische Stabilität von Graphen auf AlN zu überprüfen. Basierend auf den Ergebnissen entwickelten sie einen zweistufigen Prozess, um mittels MOCVD dünne GaN-Filme auf der Vorlage wachsen zu lassen. Das erste GaN-Wachstum erfolgte 10 Minuten lang bei 750 °C, anschließend wurde das zweite Wachstum 60 Minuten lang bei 1050 °C durchgeführt.
Die Ablösung der so gewachsenen GaN-Dünnfilme wurde als Beweis für den Erfolg des Fernepitaxieprozesses herangezogen. Während die bei 750 °C gewachsenen Filme erfolgreich abgeblättert werden konnten, scheiterte die Trennung nach dem zweiten Wachstumsschritt.
Bei einer eingehenderen Analyse stellte das Team fest, dass die nanogroßen Vertiefungen auf der AlN-Oberfläche bei höheren Temperaturen zum Abbau von Graphen in ihrer Nähe führten, was die Wachstumsmodi der GaN-Dünnfilme veränderte. Dadurch verband sich GaN direkt mit dem AlN-Substrat, wodurch die Filmablösung fehlschlug.
„Durch diese Studie haben wir zum ersten Mal gezeigt, dass strukturelle Probleme im Substrat auch zu Schälfehlern führen können. Diese Ergebnisse veranschaulichen die Bedeutung der chemischen und topografischen Eigenschaften von Templaten für eine erfolgreiche Fernepitaxie“, sagt Prof. Lee.
Diese Studie liefert die primären experimentellen Daten, die die stabile Umsetzung der Entwicklung der Fernepitaxie unterstützen. Auf die Frage nach den Auswirkungen der vorliegenden Arbeit sagt Prof. Lee: „In naher Zukunft wird erwartet, dass die Implementierung der GaN-Fernepitaxie hochwertige GaN-Halbleiter liefern wird, die für die Elektrofahrzeugindustrie benötigt werden. Da Substratrecycling möglich ist, wird dies erwartet.“ das Gesamtbild der bestehenden Halbleiterindustrie zu verändern. Darüber hinaus wird es möglich sein, das Mooresche Gesetz zu überwinden.“
Mehr Informationen:
Hoe-Min Kwak et al., Stabilität von Graphen und Einfluss von AlN-Oberflächengruben auf die GaN-Fernheteroepitaxie zur Exfoliation, ACS Nano (2023). DOI: 10.1021/acsnano.3c02565
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