Small:利用石墨烯-纳米柱辅助的准范德华外延实现高铟组分氮化物薄膜

在过去的十几年里,氮化物,特别是GaN和Ga-rich(富镓)的InGaN材料,在制造蓝色和近紫外光谱区域的发光器件占据着主导地位。由于InGaN合金的带隙可调性,越来越多的研究聚焦于拓展In-rich(富铟)的InGaN材料在更广泛的半导体器件中的应用,如全彩显示、高效光伏太阳能电池、光纤通讯、热电器件和非线性光学器件等。GaN模板通常用来生长InGaN材料。然而,由于相分离、InN分解和较高的蒸气压等原因,In-rich的InGaN材料的生长仍然具有挑战性。尽管这些挑战可以在低温的生长条件下缓解,但是低温的生长环境会增加氨气分解的困难并导致较差的InGaN晶体质量。

针对上述问题,近日,中科院半导体研究所刘志强研究员、伊晓燕研究员,北京大学刘忠范院士、高鹏教授合作提出一种新的氮化物的应力调节机制及“基于石墨烯-纳米柱缓冲层的准范德华外延”的生长方法实现了高铟组分的InGaN材料的生长。发现石墨烯作为晶格透明层(lattice-transparent layer),可以通过建立应力释放的生长前端来克服氮化物晶格中的铟并入难的基本问题。并且利用纳米柱缓冲层进一步释放应力来实现了高In组分的InGaN材料的外延。相关结果发表在Small上。

图1. 基于石墨烯-纳米柱缓冲层的准范德华外延生长方法的流程示意图

图2. InGaN合金中In原子并入的DFT计算分析及基于石墨烯-纳米柱缓冲层的准范德华外延生长方法的InGaN/GaN薄膜的应力和In组分的结果分析

InGaN合金中的In并入过程与其应力的释放机制有着紧密的联系。他们通过密度泛函理论(DFT)计算,研究了MOCVD生长过程中InGaN分子的形成能及系统总能与外延层应力状态变化的关系,外延层压应力状态得到缓解后InGaN的形成能会降低,并且在其处于微弱的张应力时最有利于In原子的并入。

采用单层石墨烯辅助的准范德华外延和引入纳米柱缓冲层两种策略来释放蓝宝石衬底上GaN外延层的应力,薄膜表现出高度c取向排列和一致的面内取向。由于衬底的远程控制作用,GaN外延层与蓝宝石衬底的外延关系与传统的外延结构保持一致,为(0001)GaN||(0001)sapphire,[0-110]GaN||[11-20]sapphire。结合拉曼(Raman)光谱、光致发光谱(PL)测试,对薄膜的应力及In组分进行了定量研究。氮化物拉曼散射的E2声子震动模式与其的双轴应力具有强相关性,利用二维材料及纳米柱缓冲层使得薄膜的双轴应力从0.9 GPa降低至0.23 GPa,降低了约74.4%。为了验证In并入量的结果,InGaN/GaN多量子阱结构设计生长在所述GaN模板上,PL结果表明,二维材料及纳米柱缓冲层的存在使得InGaN合金的In组分从18.2%提高至23.8%,提高了约30.7%。最终,作者利用该结构实现了青光LED的制备。

此项工作为突破InGaN合金生长过程中In并入难及晶格失配大的技术瓶颈提供了借鉴作用,为In-rich的InGaN材料的生长提供了全新的思路,与传统的工业生产技术兼容。此外,该项研究同时为石墨烯薄膜在半导体工业中的实际应用提供了一种有见地的思路。

并列第一作者为中科院半导体所张硕在读博士、北京大学刘秉尧在读博士。工作受到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划资助项目、中科院半导体所青年人才计划项目的经费支持。

论文信息:

Graphene-Nanorod Enhanced Quasi-Van Der Waals Epitaxy for High Indium Composition Nitride Films

Shuo Zhang, Bingyao Liu, Fang Ren, Yue Yin, Yunyu Wang, Zhaolong Chen, Bei Jiang, Bingzhi Liu, Zhetong Liu, Jingyu Sun, Meng Liang, Jianchang Yan, Tongbo Wei, Xiaoyan Yi*, Junxi Wang, Jinmin Li, Peng Gao*, Zhongfan Liu*, Zhiqiang Liu*

Small

10.1002/smll.202100098