III族氮化物因具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、電子飽和漂移速度大、穩(wěn)定性高等優(yōu)異特性而廣泛應(yīng)用在發(fā)光二極管（LED）、激光器以及高頻器件中。目前III族氮化物薄膜通常是異質(zhì)外延生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底表面,但是由于藍(lán)寶石與III族氮化物之間存在較大的晶格失配與熱失配,使得外延生長(zhǎng)的III族氮化物內(nèi)部存在較大的應(yīng)力與較高的位錯(cuò)密度,嚴(yán)重影響了器件性能;與此同時(shí),藍(lán)寶石襯底熱導(dǎo)率差,限制了其在大功率器件方面的應(yīng)用。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),石墨烯作為外延生長(zhǎng)緩沖層,能夠有效解決藍(lán)寶石襯底與外延III族氮化物薄膜之間由于晶格失配和熱失配導(dǎo)致的高應(yīng)力與高位錯(cuò)密度等問題,進(jìn)而獲得了高品質(zhì)薄膜,并提升了器件的性能。本文綜述了石墨烯/藍(lán)寶石襯底上III族氮化物生長(zhǎng)與LED器件構(gòu)筑的研究現(xiàn)狀,著重介紹了本課題組提出的一種新型外延襯底—石墨烯/藍(lán)寶石襯底的特點(diǎn),闡明了III族氮化物在該新型襯底上的生長(zhǎng)機(jī)理,總結(jié)了其對(duì)III族氮化物質(zhì)量提升的作用,并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。 

【文章來(lái)源】：物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2020,36(01)北大核心

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【部分圖文】：

AlN在石墨烯/藍(lán)寶石新型襯底上的位錯(cuò)密度降低34

AlN在石墨烯/藍(lán)寶石新型襯底上的生長(zhǎng)模型

藍(lán)寶石制備工藝技術(shù)成熟，可以批量化生產(chǎn)，機(jī)械強(qiáng)度高，并且其穩(wěn)定性較高，熔點(diǎn)在1700°C左右，可以承受較高的生長(zhǎng)溫度，滿足石墨烯和氮化物的生長(zhǎng)要求。如圖1所示，在藍(lán)寶石襯底上直接生長(zhǎng)石墨烯可獲得石墨烯/藍(lán)寶石新型襯底。在保持藍(lán)寶石原有特性的基礎(chǔ)上，可以將石墨烯優(yōu)異的特性賦予藍(lán)寶石襯底。石墨烯和藍(lán)寶石都具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和透明性，滿足氮化物薄膜外延生長(zhǎng)要求。同時(shí)石墨烯和藍(lán)寶石在導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和柔性等方面形成互補(bǔ)，可改善藍(lán)寶石熱導(dǎo)率差、絕緣不導(dǎo)電等問題。更為重要的是，在石墨烯上生長(zhǎng)III-N薄膜屬于準(zhǔn)范德華外延，氮化物薄膜與藍(lán)寶石襯底之間不再形成強(qiáng)化學(xué)鍵，界面相互作用變?nèi)�，因此藍(lán)寶石襯底與氮化物外延層之間的晶格失配和熱失配的影響極大地被削弱，從而能獲得高品質(zhì)半導(dǎo)體薄膜。相比于金屬襯底而言，藍(lán)寶石作為絕緣襯底，在石墨烯的生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)碳源的催化效果十分有限，因此熱裂解是碳源裂解的主要方式，生長(zhǎng)溫度通常在1000°C以上47。為保證充足的活性碳物種濃度，通常采用常壓化學(xué)氣相沉積(CVD)體系48。裂解后的活性碳物種會(huì)吸附至藍(lán)寶石襯底表面，當(dāng)濃度超過(guò)臨界成核濃度時(shí)，就會(huì)在能量較高的活性位點(diǎn)處成核、生長(zhǎng)。由于碳物種在氧化物表面上的遷移勢(shì)壘很高(≈1 eV)49，橫向遷移受到限制，使得石墨烯在藍(lán)寶石上生長(zhǎng)速度緩慢。進(jìn)一步延長(zhǎng)生長(zhǎng)時(shí)間，石墨烯小晶疇互相拼接，最終形成完整的薄膜。圖2a是在2 inch藍(lán)寶石晶圓上生長(zhǎng)完石墨烯的實(shí)物照片，相比于生長(zhǎng)之前襯度加深，證明有石墨烯包覆。通過(guò)掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)，可以看出石墨烯完整的覆蓋平面藍(lán)寶石襯底(圖2b)和納米圖形化藍(lán)寶石襯底(圖2c)表面。采用拉曼光譜進(jìn)一步表征石墨烯的質(zhì)量與均勻性，在石墨烯/藍(lán)寶石晶圓的不同位置處收集的拉曼光譜均表現(xiàn)出石墨烯的特征峰(圖2d):1348 cm-1(D峰)、1586 cm-1(G峰)和2680cm-1(2D峰)。而且從不同點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)具有相似的峰強(qiáng)和半高寬，證明石墨烯在整個(gè)藍(lán)寶石晶圓上分布均勻。拉曼光譜面掃描結(jié)果顯示，石墨烯的G峰強(qiáng)度在微米尺度內(nèi)幾乎一致，結(jié)果如圖2e所示。X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)分析表明，C 1s XPS譜具有典型的石墨烯特征峰，C sp2峰(～284.8 eV),C―H峰(285.0 eV)和較寬的C―O峰(圖2g)，證明石墨烯具有相當(dāng)高的結(jié)晶質(zhì)量。此外，全譜中僅有C,Al,O元素(圖2f)，證明該石墨烯生長(zhǎng)過(guò)程不會(huì)引入其他金屬殘留，獲得的石墨烯/藍(lán)寶石襯底可直接適用于金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)體系，不會(huì)污染腔室。借助透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)通過(guò)石墨烯的邊緣判斷直接生長(zhǎng)的石墨烯薄膜層數(shù)大部分為單層(圖2h)。在球差校正掃描透射電子顯微鏡(spherical aberration corrected transmission electron microscope,STEM)下，可以看到完美的石墨烯原子相，再次表明在藍(lán)寶石襯底上直接生長(zhǎng)的石墨烯具有較高的結(jié)晶性(圖2i)。另外電鏡數(shù)據(jù)也表明石墨烯的疇區(qū)尺寸較小，晶界密度較高。綜上，在藍(lán)寶石襯底上直接生長(zhǎng)的石墨烯，非常均勻，結(jié)晶性良好，層數(shù)以單層為主，無(wú)金屬殘留，可作為新型外延襯底，滿足氮化物外延生長(zhǎng)需求。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于二維材料的Ⅲ族氮化物外延[J]. 譚曉宇,楊少延,李輝杰.  化學(xué)學(xué)報(bào). 2017(03)



本文編號(hào)：2990537