Разработка роста GaN на эксфолированном графите: дефекты от O-плазмы и Al-усиленная нуклеация

Аннотация

В работе рассмотрены нуклеация и рост эпитаксиальных слоев GaN на механически эксфолированном графите в рамках классической теории нуклеации. Обработка кислородной плазмой вводит поверхностные дефекты, повышая плотность нуклеации. Введение элементарного алюминия заметно увеличивает скорость нуклеации, формируя плотные нуклеационные слои, способствующие латеральному росту GaN. Поле-эмиссионная РЭМ показывает эволюцию роста из 3D в 2D, тогда как ВРТЭМ и БПФ-анализ дифференцируют кубические (цинкблендовские) GaN зерна от обычных нуклеационных слоев и гексагональные (вурцитовые) GaN пленки, образованные с AlGaN нуклеационными слоями. Эти выводы позволяют использовать высокоориентированный пиролитический графит как подложку для переносимых оптоэлектронных устройств.

Введение

За последние два десятилетия GaN стал вторым по важности полупроводником после кремния благодаря превосходным оптическим и электрическим свойствам. Он лежит в основе СИД, лазеров, высоковольтных и высокочастотных приборов. Металлоорганическая химическая фазная осадка (МОХФО) доминирует в крупномасштабном росте GaN пленок. Из-за дефицита крупных родных подложек GaN обычно растут гетероэпитаксиально на c-сапфире, SiC или Si. Решеточный и термический несоответствие с этими подложками порождает обширные просвечивающие дислокации, деградирующие характеристики приборов.

Слоистая структура графита — сильные внутриплоскостные σ-связи и слабые межплоскостные π-связи — предлагает ван-дер-ваальсовый интерфейс, ослабляющий требования к решеточному согласованию. Механически эксфолированный графит, в частности, предоставляет престижную 2D поверхность, идеальную для роста GaN. Хотя многие отчеты описывают GaN на CVD-графене или SiC-производном графене, эти слои содержат ступеньки и дефекты, выступающие центрами нуклеации. Высокоориентированный пиролитический графит (HOPG) дает многослойный графит с высшим кристаллическим качеством и фотоэлектрическими свойствами, и может быть легко отделен от эпитаксиальных пленок, облегчая fabricación переносимых устройств. Мало работ рассматривало механизм роста на престижном 2D графите; данное исследование анализирует влияние O-плазмы и добавки Al на рост GaN на многослойном графите, опираясь на классическую теорию нуклеации (CNT).

Методы/Эксперимент

Подготовка графита

Графит эксфолировали с HOPG скотчем. Эксфолированные хлопья крепили на фоторезист-покрытую стеклянную пластину, выдерживали при 80 °C 3 мин, затем повторно эксфолировали десять раз в одном направлении. Финальная лента с тончайшим слоем графита прижимали к SiO₂ подложке и медленно снимали через 10 мин, оставляя 10–20 нм толщиной графитовую пленку. Пленку затем обрабатывали O-плазмой (40 с, 100 мВт) для внесения поверхностных дефектов.

Конвенциональный двухстадийный рост (нуклеация 550 °C, рост 1075 °C)

Перед осадкой образцы очищали в H₂ при 1100 °C 6 мин. GaN нуклеационные слои растили при 550 °C 100 с с потоками триметилгаллия (TMGa) и аммиака 35,7 и 26 800 мкмоль·мин⁻¹ соответственно при 600 мбар. Нуклеационные слои отжигали при 1090 °C 2 мин, затем наращивали GaN пленку при 1075 °C 600 с.

Модифицированный двухстадийный рост (нуклеация 1000 °C, рост 1075 °C)

После той же очистки AlGaN нуклеационные слои формировали при 1000 °C 100 с путем введения NH₃, TMGa и триметилалюминия (TMAl) с потоками 26 800, 22,4 и 13,3 мкмоль·мин⁻¹ соответственно при 100 мбар. Слои отжигали при 1090 °C 2 мин и GaN пленки растили при 1075 °C 600 с. Низкое давление при росте AlGaN минимизирует предреакции TMAl-NH₃.

Полевой-эмиссионный РЭМ (JSM-6700F), Раман-спектроскопия (Renishaw Invia, 514-нм лазер), поперечное ТЭМ (FIB-ибное, LYRA 3 XMH, TESCAN), ВРТЭМ (JEM-2010) и АФМ (SPA-300HV) характеризовали поверхностную морфологию, дефекты и шероховатость до и после O-обработки плазмой.

Результаты и обсуждение

Дефекты, атомные ступеньки и примеси обычно служат центрами нуклеации, снижая активационную энергию пленка-подложка. Престижный графит лишен висячих связей, затрудняя нуклеацию. O-обработка плазмой увеличивает поверхностные дефекты за счет образования кислородных функциональных групп, тем самым усиливая нуклеацию GaN.

Раман-спектры (рис. 1a) показывают G (1582 см⁻¹) и 2D (2727 см⁻¹) пики; I_G/I_2D = 2,2 указывает на многослойный графит. После плазмы выражен D-пик, подтверждающий рост дефектов. АФМ (рис. 1b,c) показывает рост RMS-шероховатости с 0,28 до 0,39 нм после обработки, отражая плотность дефектов. РЭМ (рис. 1d,e) демонстрирует, что необработанный графит дает редкие ядра только на морщинках, тогда как плазмообработанный — более высокую плотность островков со средними размерами >200 нм — крупнее, чем на сапфире, вероятно, из-за низкого барьера миграции III группы металлов на графите.

Отожженные островки (рис. 2a) и GaN зерна в конце роста (рис. 2b) указывают, что конвенциональный двухстадийный рост дает разреженные, малые островки. Эксперименты с прерывистым отжигом подтверждают, что плотность островков не меняется, а размер уменьшается после отжига, что указывает на декомпозицию без рекристаллизации из-за недостаточной плотности нуклеации. Оствальдово созревание объясняет, почему только островки, превышающие критический радиус, растут на стадии высокотемпературного роста.

ВРТЭМ (рис. 3a-c) показывает 20 нм толщиной графит и 20 нм GaN зерна. БПФ-образы дают графит (002) плоскости и кубические GaN зерна, подтверждая, что нуклеационные островки декомпозируются без рекристаллизации — в противовес ранним отчетам о смешанных кубических/гексагональных фазах.

Высокотемпературная нуклеация при 1000 °C одна не дает GaN на графите (рис. 4), так как повышенные температуры снижают скорость нуклеации и коэффициент прилипания по CNT. Для противодействия этому вводили Al — известный более высокой адсорбционной энергией (1,7 эВ) и более низким барьером миграции (0,03 эВ), чем Ga — через AlGaN нуклеационные слои. Al атомы остаются на графите и способствуют плотной нуклеации, усиливая рекристаллизацию при отжиге.

AlGaN-базированный рост (рис. 5) производит плотные нуклеационные слои (рис. 5a), ведущие к более крупным островкам после отжига (рис. 5b). Эти островки коалесцируют при последующем росте, формируя квази-2D GaN пленки (рис. 5c). ВРТЭМ (рис. 6) подтверждает гексагональный вурцитовый GaN, выровненный вдоль графит (0002) плоскостей, показывая, что включение Al продвигает гексагональную фазу нуклеации и последующий рост пленки.

Заключение

O-обработка плазмой вводит поверхностные дефекты, снижающие активационную энергию нуклеации GaN, повышая плотность нуклеации на престижном графите. Добавка Al повышает адсорбционную энергию и снижает барьер миграции, давая плотные нуклеационные слои, способствующие латеральному росту GaN. Эти выводы ускоряют фabricацию оптоэлектронных устройств на высокочистых графитовых подложках.