La bande interdite directe des matériaux à base d’AlN les rend adaptés à la fabrication de dispositifs optoélectroniques DUV, qui ont un large éventail de perspectives d’application dans les domaines du durcissement, de la désinfection de l’eau et de l’air, de la médecine et de la biochimie. Par conséquent, la réalisation d’une épitaxie de haute qualité des films AIN est d’une importance particulière pour assurer l’excellente performance des dispositifs photoélectriques DUV.
Actuellement, en raison du manque de substrats homogènes rentables, le choix optimal pour faire croître des films d’AIN est généralement d’effectuer une croissance hétéroépitaxiale sur du saphir. Malheureusement, les décalages inhérents entre l’AlN et le substrat en saphir introduisent inévitablement une variété de défauts cristallins dans l’épicouche d’AlN. En particulier, la grande contrainte résiduelle dans le film d’AlN conduit à la non-uniformité de la distribution d’Al dans la couche supérieure d’AlGaN accompagnée d’une flexion de la tranche, ce qui limite considérablement les performances du dispositif. Par conséquent, une stratégie réalisable est nécessaire pour faire un saut qualitatif pour réaliser une croissance de haute qualité de films d’AlN hétéroépitaxiaux et pour répondre aux exigences d’application des dispositifs optoélectroniques DUV.
Au cours des dernières années, une méthode émergente appelée épitaxie quasi-van der Waals (QvdW) ou épitaxie à distance basée sur un matériau bidimensionnel (2D) a été proposée pour la croissance hétéroépitaxiale de haute qualité des nitrures du groupe III. En tant que matériau 2D largement étudié, le graphène a été incorporé en tant que couche tampon pour la croissance épitaxiale des nitrures afin d’atténuer efficacement l’inadéquation du réseau et l’inadéquation thermique entre l’épicouche et le substrat. Les rapports précédents sur le film de nitrure épitaxial sur le graphène indiquaient généralement que la relaxation des contraintes du système épitaxial était réalisée grâce à la faible interaction entre le graphène et les épicouches, mais il manque une discussion détaillée ou une vérification rigoureuse de cette affirmation.
Récemment, Dou et al. observé la formation de liaisons chimiques à l’interface entre le graphène et le saphir directement cultivés par microscopie électronique à transmission corrigée des aberrations et trouvé la forte interaction entre le graphène et le saphir, qui renversera inévitablement la perception traditionnelle de la relaxation des contraintes via une faible interaction vdW entre le graphène et le substrat . Par conséquent, le mécanisme d’épitaxie QvdW des films AlN sur le graphène mérite une exploration plus approfondie, ce qui est essentiel pour manipuler avec précision la qualité des films AlN et améliorer encore les performances des dispositifs optoélectroniques DUV.
Dans un nouvel article publié dans Sciences de la lumière et applications, une équipe de scientifiques, dirigée par le professeur Tongbo Wei du Centre de recherche et de développement pour la technologie d’éclairage des semi-conducteurs, Institut des semi-conducteurs, Académie chinoise des sciences, Pékin, Chine, et ses collègues ont réussi à obtenir un film AlN de haute qualité sans contrainte par le biais de l’ingénierie de pré-stockage de la contrainte de conduite de Gr et a présenté le mécanisme unique de relaxation de la contrainte dans l’épitaxie QvdW. Pendant ce temps, le film AlN sans contrainte développé sur graphène/saphir peut être utilisé comme couche modèle fiable pour l’épitaxie de haute qualité des dispositifs DUV-LED.
Ils résument les points saillants de leur étude comme suit :
« La densité de dislocation de l’épicouche d’AlN avec du graphène présente une évolution anormale en dents de scie au cours du processus d’épitaxie QvdW et les valeurs sont systématiquement inférieures à celles du saphir nu. Enfin, le graphène permet au film d’AlN de réaliser une diminution de 62,6 % de la densité de dislocation .
« Le calcul des premiers principes est introduit pour élucider le mécanisme du graphène régulant l’état de contrainte du film d’AlN. Il est révélé que le graphène traité au plasma contrôle la morphologie de nucléation initiale de l’AlN pour pré-stocker une contrainte de traction suffisante dans l’épicouche pour compenser pour la contrainte de compression causée par le réseau et l’inadéquation thermique lors de l’hétéroépitaxie, faisant ainsi ressortir un film d’AlN sans contrainte.
« La cartographie de l’espace réciproque de la DUV-LED telle que fabriquée révèle une faible contrainte de compression dans la couche de n-AlGaN de 1,8 μm, indiquant que le film d’AlN sans contrainte en tant que couche modèle fiable permet l’état cristallin de haute qualité de la partie supérieure Structure épitaxiale LED.
« La LED DUV 283 nm telle que fabriquée avec du graphène présente une puissance de sortie lumineuse 2,1 fois supérieure à celle de son homologue sur saphir nu et une stabilité favorable de la longueur d’onde lumineuse dans une plage de courant de 10 mA à 80 mA, ce qui est attribué à la meilleure qualité du cristal avec une faible déformation résiduelle de la structure épitaxiale à base de graphène.
« Ce travail révèle le mécanisme interne de la croissance QvdW du nitrure pour améliorer la qualité épitaxiale sur les substrats à grande discordance et met sans aucun doute en lumière la poursuite de la promotion de la fabrication de dispositifs à base de nitrure. »
Hongliang Chang et al, Ingénierie de déformation pilotée par le graphène pour permettre l’épitaxie sans contrainte du film AlN pour la diode électroluminescente ultraviolette profonde, Lumière : science et applications (2022). DOI : 10.1038/s41377-022-00756-1
Fourni par l’Institut d’optique de Changchun