Mengurai Pertumbuhan GaN pada Grafit Dieksfoliasi: Cekatan O-Plasma dan Nukleasi Ditingkatkan Al
Abstrak
Penelitian ini menguraikan nukleasi dan pertumbuhan lapisan epitaksial GaN pada grafik yang dieksfoliasi secara mekanis menggunakan teori nukleasi klasik. Perawatan O-plasma memperkenalkan cekatan permukaan, yang meningkatkan kepadatan nukleasi. Integrasi elemen Al secara signifikan meningkatkan laju nukleasi, menghasilkan lapisan nukleasi padat yang mempromosikan pertumbuhan lateral GaN. SEM emisi lapangan mengungkapkan evolusi pertumbuhan 3D-ke-2D, sementara HR-TEM dan analisis FFT membedakan butir GaN kubik (zinc-blend) dari lapisan nukleasi konvensional dan film GaN heksagonal (wurtzit) yang dibentuk dengan lapisan nukleasi AlGaN. Wawasan ini memungkinkan penggunaan grafit pirolitik yang sangat terorientasi sebagai substrat untuk perangkat optoelektronik yang dapat dipindahkan.
Latar Belakang
Selama dua dekade terakhir, GaN telah naik menjadi semiconductor yang paling kritis kedua setelah silikon, karena properti optik dan listrik yang unggul. GaN mendasari LED, laser, perangkat daya tinggi, dan perangkat frekuensi tinggi [1,2,3,4,5]. Deposi kimia organik logam (MOCVD) mendominasi pertumbuhan film GaN skala besar [6,7]. Karena substrat asli skala besar langka, GaN biasanya ditumbuhkan heteroepitaksial pada safir c, SiC, atau Si. Ketidaksesuaian jaringan dan termal dengan substrat ini menghasilkan dislocation threading yang luas, yang mengurangi kinerja perangkat [8,9,10].
Struktur berlapis grafit—ikatan σ dalam bidang yang kuat dan ikatan π luar bidang yang lemah—menawarkan antarmuka van der Waals yang melegakan keterbatasan pencocokan jaringan. Grafit yang dieksfoliasi secara mekanis, khususnya, menyajikan permukaan 2D yang utuh yang ideal untuk pertumbuhan GaN. Sementara banyak laporan menjelaskan GaN pada grafen yang ditumbuhkan CVD atau berasal dari SiC, lapisan ini mengandung tepi langkah dan cekatan yang bertindak sebagai situs nukleasi [12–15]. Grafit pirolitik yang sangat terorientasi (HOPG) menghasilkan grafik berlapis dengan kualitas kristal yang superior dan properti foto-listrik, dan dapat dengan mudah dilepas dari film epitaksial, yang memfasilitasi pembuatan perangkat yang dapat dipindahkan. Sedikit studi yang membahas mekanisme pertumbuhan pada grafit 2D utuh; penelitian ini menyelidiki pengaruh perawatan O-plasma dan penambahan Al pada pertumbuhan GaN pada grafik berlapis, didorong oleh teori nukleasi klasik (CNT).
Metode/Eksperimen
Persiapan Grafit
Grafit dipelepas dari HOPG menggunakan karet Scotch. Flakes yang dipelepas ditempel pada piring kaca yang dilapisi fotoresist, dipanaskan pada 80 °C selama 3 menit, dan kemudian dipelepas berkali-kali sepuluh kali di arah yang sama. Karet akhir, yang membawa lapisan grafit paling tipis, ditekan pada substrat SiO₂ dan karet perlahan dilepas setelah 10 menit, meninggalkan film grafit tebal 10–20 nm. Film kemudian diekspose pada O-plasma (40 s, 100 mW) untuk memperkenalkan cekatan permukaan.
Pertumbuhan Dua Tahap Konvensional (Nukleasi pada 550 °C, Pertumbuhan pada 1075 °C)
Sebelum deponi, sampel dibersihkan dalam H₂ pada 1100 °C selama 6 menit. Lapisan nukleasi GaN ditumbuhkan pada 550 °C selama 100 s menggunakan fluks TMGa dan NH₃ sebesar 35,7 µmol min⁻¹ dan 26.800 µmol min⁻¹, masing-masing, pada 600 mbar. Lapisan nukleasi dianal pada 1090 °C selama 2 menit, diikuti oleh depo film GaN pada 1075 °C selama 600 s.
Pertumbuhan Dua Tahap Dimodifikasi (Nukleasi pada 1000 °C, Pertumbuhan pada 1075 °C)
Setelah langkah pembersihan yang sama, lapisan nukleasi AlGaN dibentuk pada 1000 °C selama 100 s dengan memperkenalkan NH₃, TMGa, dan TMAl dengan fluks sebesar 26.800, 22,4, dan 13,3 µmol min⁻¹, masing-masing, pada 100 mbar. Lapisan dianal pada 1090 °C selama 2 menit dan film GaN ditumbuhkan pada 1075 °C selama 600 s. Tekanan rendah selama pertumbuhan AlGaN meminimalkan proreaksi TMAl–NH₃.
SEM emisi lapangan (JSM-6700F), spektroskopi Raman (Renishaw Invia, laser 514-nm), TEM lintas (FIB-milled, LYRA 3 XMH, TESCAN), HR-TEM (JEM-2010), dan AFM (SPA-300HV) mengkarakterisasi morfologi permukaan, cekatan, dan kekasaran sebelum dan setelah perawatan O-plasma.
Hasil dan Pembahasan
Cekatan, langkah atom, dan kotoran biasanya bertindak sebagai situs nukleasi dengan menurunkan energi aktivasi untuk pengikatan film-substrat. Grafit utuh tidak memiliki ikatan rambat, sehingga membuat nukleasi sulit. Perawatan O-plasma meningkatkan cekatan permukaan dengan membentuk grup fungsional oksigen, yang meningkatkan nukleasi GaN.
Spektrum Raman (Gambar 1a) menunjukkan puncak G (1582 cm⁻¹) dan 2D (2727 cm⁻¹); I_G/I_2D = 2,2 menunjukkan grafik berlapis. Spektrum pasca-plasma menunjukkan puncak D yang mencolok, mengonfirmasi peningkatan cekatan [20]. AFM (Gambar 1b,c) mengungkapkan peningkatan kekasaran RMS dari 0,28 nm menjadi 0,39 nm setelah perawatan, yang mencerminkan kepadatan cekatan. SEM (Gambar 1d,e) menunjukkan bahwa grafit yang tidak ditangani menghasilkan inti langka hanya pada kerutan, sementara grafit yang ditangani plasma menghasilkan kepadatan pulau yang lebih tinggi dengan ukuran rata-rata >200 nm—lebih besar dari pada safir, mungkin karena hambatan migrasi rendah logam grup-III pada grafit [6,21].
a Spektrum Raman grafit yang tidak ditangani (hitam) dan yang ditangani (merah). b, c Citra AFM 2 × 2 µm² grafit yang tidak ditangani dan yang ditangani, masing-masing. d, e Citra FE-SEM pulau nukleasi pada grafit yang tidak ditangani dan yang ditangani, masing-masing
Pulau yang dianal (Gambar 2a) dan butir GaN pada akhir pertumbuhan (Gambar 2b) menunjukkan bahwa pertumbuhan dua tahap konvensional menghasilkan pulau yang langka dan kecil. Eksperimen analan terganggu mengonfirmasi bahwa kepadatan pulau tidak berubah sementara ukuran menurun setelah analan, yang menunjukkan dekomposisi tanpa rekristalisasi karena kepadatan nukleasi yang tidak mencukupi. Ripening Ostwald menjelaskan mengapa hanya pulau yang melebihi jari-jari kritis yang tumbuh selama langkah pertumbuhan suhu tinggi.
a FE-SEM pulau yang dianal. b Morfologi permukaan butir GaN pada akhir pertumbuhan. c Skema yang diusulkan mekanisme pertumbuhan GaN pada grafit
HR-TEM (Gambar 3a–c) mengungkapkan grafit tebal 20 nm dan butir GaN tebal 20 nm. Pola FFT menunjukkan bidang grafit (002) dan butir GaN kubik, yang mengonfirmasi bahwa pulau nukleasi mengalami dekomposisi tanpa rekristalisasi—berlawanan dengan laporan sebelumnya yang mengamati fase kubik/heksagonal campuran [23].
a, b Mikrograf TEM dan HR-TEM lintas sepanjang c-GaN [110] yang menunjukkan antarmuka GaN/grafit. c–e Pola FFT untuk grafit, butir GaN, dan antarmuka mereka, masing-masing
Nukleasi suhu tinggi pada 1000 °C sendiranya gagal menghasilkan GaN pada grafit (Gambar 4), karena suhu yang lebih tinggi mengurangi laju nukleasi dan koefisien menempel menurut CNT [24]. Untuk mengatasi ini, Al—yang diketahui memiliki energi adsorpsi yang lebih tinggi (1,7 eV) dan hambatan migrasi yang lebih rendah (0,03 eV) daripada Ga—diperkenalkan melalui lapisan nukleasi AlGaN. Atom Al tetap pada grafit dan memfasilitasi nukleasi padat, meningkatkan rekristalisasi selama analan.
Citra FE-SEM lapisan nukleasi yang ditumbuhkan pada 1000 °C
Pertumbuhan berbasis AlGaN (Gambar 5) menghasilkan lapisan nukleasi padat (Gambar 5a), yang mengarah pada pulau yang lebih besar setelah analan (Gambar 5b). Pulau ini bergabung selama pertumbuhan berikutnya, menghasilkan film GaN quasi-2D (Gambar 5c). HR-TEM (Gambar 6) mengonfirmasi GaN wurtzit heksagonal yang terorientasi sepanjang bidang grafit (0002), yang menunjukkan bahwa integrasi Al mempromosikan nukleasi fase heksagonal dan pertumbuhan film berikutnya.
a–c Citra FE-SEM lapisan nukleasi, lapisan yang dianal, dan lapisan epitaksial, masing-masing. d Skema mekanisme pertumbuhan GaN menggunakan lapisan nukleasi AlGaN
a, b Mikrograf TEM dan HR-TEM lintas sepanjang h-GaN [010] yang menunjukkan antarmuka GaN/grafit. c–e Pola FFT untuk grafit, film GaN, dan antarmuka mereka, masing-masing
Kesimpulan
Perawatan O-plasma memperkenalkan cekatan permukaan yang menurunkan energi aktivasi untuk nukleasi GaN, meningkatkan kepadatan nukleasi pada grafit utuh. Penambahan Al meningkatkan energi adsorpsi dan mengurangi hambatan migrasi, menghasilkan lapisan nukleasi padat yang mempromosikan pertumbuhan lateral GaN. Temuan ini mempercepat pembuatan perangkat optoelektronik pada substrat grafit murni tinggi.
