Revelando o efeito dos poços de superfície AIN na epitaxia remota de GaN

A epitaxia remota tem ganhado atenção no campo da fabricação de semicondutores para o cultivo de filmes finos que copiam a estrutura cristalina do modelo, que podem posteriormente ser esfoliados para formar membranas independentes. No entanto, condições severas de epitaxia muitas vezes podem causar danos aos materiais do modelo, como no caso da epitaxia remota de filmes finos de GaN, materiais promissores para diodos emissores de luz, fotodetectores e dispositivos eletrônicos de potência, em modelos de grafeno/AlN.

A heteroepitaxia remota de GaN não foi alcançada por uma técnica padrão de deposição de vapor químico metal-orgânico (MOCVD) devido às altas temperaturas envolvidas no processo. Foi relatado que o grafeno colocado em um substrato em um ambiente extremo, como alta temperatura ou uso de um gás ativo no MOCVD, é danificado devido à instabilidade química, o que causa falha na esfoliação dos filmes de GaN crescidos.

Neste contexto, uma equipe de pesquisadores liderada por Dong-Seon Lee, Chefe do Departamento de Engenharia de Semicondutores e Professor da Escola de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju, usou recentemente epitaxia remota para cultivar GaN filmes finos em modelos de grafeno / AlN por MOCVD e investigaram o efeito de depressões superficiais em AlN no crescimento e esfoliação desses filmes finos.

Seu artigo foi publicado em ACS Nano.

Os pesquisadores primeiro realizaram um teste de recozimento a 950°C por 5 minutos para verificar a estabilidade térmica do grafeno no AlN. Com base em seus resultados, eles desenvolveram um processo de duas etapas para cultivar filmes finos de GaN no modelo do MOCVD. O primeiro crescimento de GaN ocorreu a 750 °C durante 10 minutos, após o qual o segundo crescimento foi realizado a 1050 °C durante 60 minutos.

A esfoliação dos filmes finos de GaN assim cultivados foi utilizada como prova do sucesso do processo de epitaxia remota. Embora os filmes cultivados a 750 °C pudessem ser esfoliados com sucesso, a separação falhou após a segunda etapa de crescimento.

Após uma análise mais profunda, a equipe descobriu que os poços de tamanho nanométrico na superfície do AlN levaram à degradação do grafeno próximo a eles em temperaturas mais altas, o que alterou os modos de crescimento dos filmes finos de GaN. Como resultado, o GaN ligou-se diretamente ao substrato de AlN, causando a falha na esfoliação do filme.

“Através deste estudo, revelamos pela primeira vez que problemas estruturais no substrato também podem causar falha no descascamento. Esses resultados exemplificam a importância das propriedades químicas e topográficas dos modelos para uma epitaxia remota bem-sucedida”, diz o Prof.

Este estudo fornece os dados experimentais primários que apoiam a implementação estável do desenvolvimento da epitaxia remota. Quando questionado sobre as implicações do presente trabalho, o Prof. Lee disse: “Em um futuro próximo, espera-se que a implementação da epitaxia remota de GaN forneça semicondutores GaN de alta qualidade necessários para a indústria de veículos elétricos. Como a reciclagem de substrato é possível, espera-se para mudar o panorama geral da indústria de semicondutores existente. Além disso, será possível superar a lei de Moore.”