Hétéroépitaxie à distance d’hétérostructures de microrodes GaN pour les diodes électroluminescentes déformables et le recyclage des plaquettes

Hétéroépitaxie à distance d’hétérostructures de microrodes GaN pour les diodes électroluminescentes déformables et le recyclage des plaquettes

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INTRODUCTION

Écrans à diodes électroluminescentes (LED) (15) transforment le paysage de la technologie d’affichage pour une plage dynamique plus élevée, une lisibilité améliorée dans diverses conditions d’éclairage et des facteurs de forme sans précédent applicables à l’électronique montable en surface (6, 7), les dispositifs biomédicaux (8, 9) et les véhicules de transport. Le développement des LED axé sur les applications nécessite une fabrication performante et rentable. Cependant, la réalisation simultanée des principales demandes des futures LED a été entravée par la préparation de matériaux de haute qualité limités à des substrats structurellement adaptés (dix). En outre, les propriétés cassantes et moins flexibles des matériaux LED sous forme de film épais rendent difficile leur utilisation pour des dispositifs de forme libre extrêmement flexibles à moins qu’ils ne soient finement coupés en dés et décollés de la plaquette. Les nano / microstructures unidimensionnelles, telles que les nanofils inorganiques (NW) et les microrods (MR), ont été considérées comme une solution pour surmonter les problèmes de compatibilité des matériaux car la nucléation sur la petite zone et la relaxation des contraintes le long des surfaces latérales de la structure allongée réduisent considérablement la structure. défauts dans le milieu électroluminescent (11, 12). Ainsi, les DEL cristallines NW et MR peuvent être fabriquées sur divers substrats englobant une tranche homoépitaxiale (13), Si cristallin (14), des feuilles métalliques polycristallines (15) et le verre amorphe (16). La capacité d’intégration hétérogène améliore l’efficacité des LED via un contrôle direct du courant de commande sur les circuits et améliore la durabilité grâce à la dissipation thermique sur les dissipateurs thermiques efficaces, tels que les feuilles métalliques (17). De plus, la géométrie des LED NW offre une grande liberté dans les facteurs de forme d’emballage des LED car ceux-ci peuvent être fabriqués sur des substrats flexibles (18). Bien que les LED NW aient le potentiel d’être une solution universelle aux problèmes existants de développement des LED, il reste des problèmes de matériaux à résoudre.

Les caractéristiques physiques des NW, au-delà de la cristallinité, sont toujours affectées par les substrats. Les défauts d’empilement et la déformation près de l’interface sont générés par des liaisons covalentes (ou ioniques) entre les NW et un substrat (1921), ce qui peut entraîner une détérioration des performances des LED. D’autres problèmes sont la formation d’une couche interfaciale non intentionnelle (par exemple, SiNX pour les GaN NW cultivés sur Si) et la contamination des NW par diffusion atomique à partir du substrat (par exemple, GaN NWs sur Ti) (2224). Ainsi, la fabrication de NW de haute qualité intégrables dans l’architecture LED est devenue un problème important. Pour l’utilisation du substrat en graphène, car le graphène ne forme pas les liaisons covalentes avec les NW superposés, la contrainte interfaciale peut être efficacement libérée à travers la petite empreinte (25). De plus, l’inertie chimique élevée et la stabilité thermique du graphène ne provoquent pas la contamination des NW même au-dessus de 1000 ° C (2628). Par conséquent, le graphène est l’un des matériaux de substrat idéaux qui peuvent résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus pour la croissance de composants optoélectroniques de haute qualité.

L’épitaxie à distance est la technique d’épitaxie pour obtenir une couche monocristalline dont l’enregistrement cristallographique peut être dicté à partir d’une tranche à travers une couche atomique ultra-mince (c’est-à-dire du graphène). Il s’agit d’une solution polyvalente du problème des matériaux des LED à base de NW et MR car la technologie nous permet de cultiver des NW de haute qualité sur des substrats parfaitement adaptés et de détacher les NW du substrat sans méthode destructrice pour éliminer une couche sacrificielle (2933). Ainsi, l’épitaxie à distance peut permettre la réutilisation du substrat de plaquette, ce qui représente un coût matériel important pour la production de LED. Cette technique d’épitaxie polyvalente a été récemment appliquée pour préparer des matrices RM semi-conductrices alignées unidirectionnellement même sur la tranche recyclée après la libération de la surcouche MR (31, 34). Néanmoins, il reste un défi à développer des dispositifs IRM pratiques qui sont mis en œuvre avec les forces conférées par l’épitaxie à distance.

Les MR alignés verticalement offrent une géométrie idéale de réseaux de dispositifs séparés dans l’espace qui fournissent une plate-forme souhaitable pour une utilisation dans des dispositifs flexibles (7, 18, 3537) fabriqués de manière économique. Parmi de nombreux fils semi-conducteurs, les hétérostructures à base de GaN ont validé leur utilisation pratique dans les dispositifs optoélectroniques hautes performances, y compris les LED (14, 3840), les lasers (41), cellules solaires (42), sources à photon unique (43) et des composants d’affichage de sous-pixel rouge-vert-bleu (36, 44), qui tirent pleinement parti des excellentes propriétés physiques du GaN, y compris l’accordabilité complète de la composition de InXGéorgie1-XN, haute efficacité quantique, etc. Ainsi, il y aura de nombreuses opportunités une fois que l’épitaxie à distance sera adaptée avec succès pour fabriquer des dispositifs optoélectroniques GaN MR. À ce jour, l’épitaxie à distance a traité l’homoépitaxie (30, 31) ou des systèmes d’épaisseurs de couches épaisses hétéroépitaxiques à correspondance de réseau (34), qui nécessitent généralement l’utilisation de plaquettes à coût élevé. Cependant, il est bien connu que l’utilisation d’Al2O3 La tranche avec une grande non-concordance de réseau dans le plan de 16,1% est tout à fait bénéfique en raison de son grand traitement évolutif et bien compatible pour la croissance conventionnelle de GaN. Pendant ce temps, Park et al. (28) ont récemment rapporté que la plaquette de saphir est plus stable que le substrat GaN dans des conditions de réaction difficiles de température de croissance élevée riche en hydrogène et en ammoniac de plus de 1000 ° C lorsque la surface est recouverte de graphène, et le graphène est également robuste dans le même ambiance. Ainsi, on s’attend à ce qu’une telle tolérance à Al2O3 est exploitable pour permettre le recyclage de la plaquette après la libération de la surcouche. Ainsi, il est impératif de réaliser l’hétéroépitaxie à distance des fils verticaux GaN sur Al2O3.

Ici, nous rapportons l’hétéroépitaxie à distance des hétérostructures de GaN MR sur c-avion Al2O3 plaquette à travers du graphène, qui permet (i) la fabrication de LED déformables et (ii) le recyclage du substrat sous-jacent après exfoliation de la surcouche MR. Les LED sont déformées et adaptées à diverses formes, et les performances des LED sont caractérisées en termes de propriétés électriques et d’électroluminescence (EL) par rapport aux cycles de flexion répétitifs. La microscopie électronique à transmission à balayage à haute résolution (HR-STEM) confirme la relation hétéroépitaxiale à distance à travers le graphène, et la spectroscopie Raman révèle l’existence du graphène après une croissance de GaN à haute température. Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) expliquent comment l’hétéroépitaxie à distance est rendue possible grâce au graphène. Après exfoliation, l’indigène c-Al2O3 la tranche est recyclée, et les LED déformables obtenues sur les tranches recyclées sont caractérisées en termes de performances de l’appareil.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Les LED déformables ont été fabriquées par hétéroépitaxie à distance de GaN MR (Fig. 1A). La stratégie de base pour la fabrication de LED déformables commence par une hétéroépitaxie à distance de LED MR sur Al revêtu de graphène2O3 (0001) plaquette par épitaxie en phase vapeur métal-organique (MOVPE) (figure 1B), suivie du transfert des réseaux de LED MR en croissance sur une plaque de Cu (figure 2A). Pour la préparation du substrat, le dépôt de vapeur chimique (CVD) – graphène monocouche polydomaine cultivé (SLG) a été transféré deux fois sur c-Al2O3 plaquette, ce qui fait un écart ultra-étroit pour l’épitaxie de GaN à distance de c-Al2O3. Pour plus de clarté, il est noté ici que la plaquette est destinée à désigner un substrat monocristallin (c’est-à-dire Al2O3), tandis que le substrat est une substance sur laquelle la croissance a été effectuée (c.-à-d. graphène / Al2O3). le p– et n-des électrodes de Ni / Au et Ti / Au se sont formées respectivement en haut et en bas des MR. Les couches de graphène sont restées sur la plaquette après le processus d’exfoliation (fig. S1), contrairement à nos résultats précédents (31, 34). Comme le montre la fig. S2, le recuit a conduit à l’interface intime entre le graphène et Al2O3 plaquette afin que le graphène reste sur la plaquette après le processus de délaminage. En conséquence, il était pratique de fabriquer une électrode ohmique de Ti / Au au bas des LED MR. Entre deux électrodes métalliques, une couche isolante de polyimide a été revêtue par rotation, qui isole électriquement les deux électrodes et supporte structurellement les réseaux de LED MR sous la forme d’un film de moulage déformable. Ensuite, les réseaux de LED MR incorporés dans un film de polyimide ont été transférés sur une plaque conductrice en Cu en utilisant un ruban de libération thermique (figure 2A). Comme illustré sur la figure 1B, chaque MR unique comprend le noyau n– Tige GaN, puits radiaux InGaN / GaN radiaux à trois périodes (MQW) et coquille la plus externe p-Couche GaN, qui correspond collectivement à l’âme / coque MR pn jonction. Des procédures détaillées pour la croissance, la fabrication de dispositifs (fig. S3), les mesures et les calculs théoriques sont décrits dans Matériaux et méthodes.

Fig. 1 Hétéroépitaxie à distance d’hétérostructures de GaN MR sur c-Al2O3 à travers le graphène.

(UNE) Photographie de l’émission de lumière EL de MR LED sous une forme courbée. (B) Schéma en coupe des hétérostructures MR cultivées sur du graphène revêtu c-Al2O3 tranche. (C) Image STEM en champ lumineux annulaire (ABF) d’une hétéro-interface épitaxiale distante de GaN / graphène /c-Al2O3 concentré sur le graphène. L’emplacement de la SLG à double empilement est marqué de coins rouges. Images ABF STEM filtrées à résolution atomique de () GaN MR et (E) c-Al2O3 prises autour de la zone d’hétéro-interface. (F) Image FE-SEM à inclinaison de matrices LED MR à croissance radiale pn hétérostructures de jonction. (g) Photographie d’une émission de lumière EL à partir de 5 mm par 5 mm de zone MR LED sous une forme plate à 100 mA. Photomicrographies de MR LED (H) sans et (je) avec injection de courant de 100 mA, prélevé dans la zone encadrée en (G). La microphotographie à l’état bloqué de (H) a été prise dans des conditions d’éclairage de lampe normales.

Fig.2 LED MR diversement déformable.

(UNE) Schémas illustrant les principales procédures de fabrication de la LED déformable, y compris l’hétéroépitaxie à distance des réseaux de LED MR et le transfert sur une plaque métallique conductrice. (B) Une série de photographies de LED MR cyan (λ = 500 nm) déformées sous diverses formes, telles que des formes torsadées, pliées à 90 ° et pliées à 180 °, fonctionnant à 100 mA. L’encart dans l’image la plus à droite de (B) est un schéma illustrant la géométrie des matrices MR sous la forme pliée. (C) Photographies de LED MR bleues (λ = 450 nm) montées sur diverses surfaces, y compris un stylo et un bord de paroi mince de boîte en plastique, fonctionnant à 100 mA. Il est à noter que la LED MR bleue représentée en (C) est produite à partir d’une plaquette recyclée. () Photographies de LED MR de 10 mm par 10 mm (λ = 450 nm) conçues pour être montées sur deux pattes arrière d’une figurine (deux panneaux de gauche); photographies de figurines LEGO à LED avec différentes postures de jambes (trois panneaux à droite). La LED fonctionnait à 100 mA. Barres d’échelle (D), 10 mm. Crédit photo: Junseok Jeong, Université Sejong.

Image HR-STEM en coupe transversale de l’hétéroépitaxial distant GaN MR / graphène / Al2O3 montre l’existence de SLG à double empilement après la croissance à haute température des LED MR (Fig. 1C), qui a également été observée par les spectres Raman (fig. S1). L’écart de délaminage a été induit entre GaN et graphène / Al2O3 pendant le processus de fraisage transversal pour l’observation par microscopie électronique à transmission (TEM), ce qui pourrait mettre en évidence l’hétéro-interface non covalente faiblement liée. La couche intercalaire de graphène a été observée sans discontinuité associée à l’ouverture sur toute la zone d’interface dans une observation TEM à faible grossissement (fig. S4), ce qui implique que l’épitaxie n’a pas été initiée par hétéroépitaxie covalente à travers une ouverture en graphène. Dans le cas contraire, l’utilisation de graphène avec des ouvertures n’a pas permis une délamination complète de la surcouche MR car les MR cultivés à travers les ouvertures sont fortement liés à Al2O3 en raison des liaisons covalentes (fig. S5). Pour éviter la présence de ces ouvertures, nous avons doublement empilé SLG sur l’Al2O3 plaquette pour former du graphène à double couche sur la plaquette (fig. S6), ce qui a permis une délamination presque parfaite des MR du substrat natif. Il est à noter que la qualité cristalline s’est dégradée lors de l’utilisation de graphène plus épais que le graphène triple couche.

Sur la figure 1 (D et E), des images STEM à résolution atomique montrent que GaN MR a été cultivé le long de la wurtzite à terminaison Ga-[0001] (ou c+) direction sur Al-corindon terminé Al2O3(0001) (sur c+ direction), avec la relation hétéroépitaxiale de (0001)[[

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20]saphir à travers le graphène polydomaine. Cette observation signifie une relation épitaxiale de rotation de 30 ° dans le plan sans inversion de polarité, semblable à l’hétéroépitaxie covalente. Il est bien connu qu’une telle épitaxie rotationnelle dans le plan se produit généralement dans des systèmes hétéroépitaxiaux covalents avec une grande inadéquation du réseau pour réduire les liaisons pendantes en surface et le stress interfacial causé par l’inadéquation du réseau (45). En revanche, la croissance alignée sur le domaine est de préférence obtenue sans contrainte interfaciale, même pour un grand système de mésappariement lorsque la croissance est entraînée par l’épitaxie de van der Waals (vdW) (37, 46, 47): Si la croissance avait été dirigée par la force d’attraction vdW du graphène, l’épitaxie de GaN devait avoir montré la relation d’alignement de domaine avec le graphène. En conséquence, notre observation TEM sur la relation épitaxiale à distance implique que l’influence de la plaquette sous-jacente sur la couche supérieure de GaN n’a pas été entravée par la couche intermédiaire de graphène.

La microscopie électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM) a en outre révélé un ordre à longue portée de la paroi latérale hexagonale {10

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0} facettes de MR verticaux sur une surface d’au moins 1 cm sur 1 cm (Fig. 1F et fig. S7). Si le graphène avait régné sur la relation épitaxiale, les alignements homogènes MR-paroi latérale devaient avoir été observés uniquement dans chaque domaine (taille ~ 5 à 20 μm) de graphène (25, 34, 37, 48). Ainsi, l’observation SEM corrobore également que la relation hétéroépitaxiale a été déterminée à distance à partir de monocristallin c-Al2O3 plutôt que le graphène polydomaine. Les valeurs moyennes de densité, hauteur et diamètre des MR ont été mesurées à (3,0 ± 0,3) × 104 cm-2, 16,1 ± 4,1 μm et 14,4 ± 2,2 μm (± dénote SD), respectivement.

À titre d’étude comparative, les MR de GaN ont été cultivés sur2O3 plaquette partiellement recouverte de graphène, comme illustré sur la fig. S8. Les deux surfaces d’Al recouvert de graphène2O3 et nu Al2O3 ont montré que les MR verticaux étaient cultivés avec le même ordre dans le plan des facettes des parois latérales, indépendamment de l’existence de graphène. Cela indique que l’orientation cristallographique du GaN superposé était exclusivement régie par l’Al2O3 plaquette pour les deux surfaces. De façon notable, les MR ont grandi directement sur Al2O3 n’étaient pas du tout délaminés de la plaquette en raison de fortes liaisons covalentes.

Les matrices LED MR cultivées par hétéroépitaxie à distance présentaient de bonnes propriétés d’émission de lumière EL. Par exemple, une émission EL sur une grande surface avec une couleur d’émission uniforme a été obtenue sur toute la zone de la puce (Fig.1, A et G et fig.S9), et la zone d’émission EL a également couvert toute la zone de croissance MR (fig. S10 ). Une des raisons du succès de la fabrication de panneaux LED à grande surface est l’électrode supérieure épaisse en Ni / Au (15/15 nm) avec une faible résistance de feuille de 4,2 ohms par carré qui permet une bonne répartition du courant pour une émission EL homogène sur l’ensemble de la LED. zone du panneau. Cependant, en raison de l’épaisseur, la transmittance optique était aussi faible que ca. 51% à 500 nm de longueur d’onde. Les microphotographies montrent que presque toutes les LED MR présentent des émissions EL avec une couleur cyan uniforme sous polarisation directe (Fig. 1, H et I). Ce résultat signifie que l’hétéroépitaxie à distance et la technique de transfert assisté par bande à libération thermique sont viables pour la fabrication de LED flexibles de grande surface avec un rendement élevé de l’appareil.

Étant donné que l’épitaxie à distance utilise la couche d’espace du graphène, l’interface vdW formée par sp2 des liaisons de graphène permettent facilement le délaminage des LED MR et le transfert sur une surface d’intérêt en utilisant un ruban anti-adhésif, comme schématisé sur la figure 2A. Ainsi, les matrices LED MR transférées sur une plaque de Cu ont pu résister à de grandes déformations telles que des plis torsadés à angle droit vers l’intérieur / vers l’extérieur, un froissement aléatoire et des plis à 180 ° sans dégradation grave de la zone d’émission EL et de la couleur dans au moins plusieurs déformations extrêmes temporelles (Fig. 2B et fig. S11). De manière notable, les matrices LED MR pour EL bleu, fabriquées sur un Al recyclé2O3 plaquette après délaminage d’autres LED MR, ont également été fixées sur diverses surfaces avec des courbures différentes (figure 2C). La méthode et les résultats du recyclage des plaquettes sont décrits plus loin. De plus, la LED MR de 10 mm par 10 mm a été conçue avec des ciseaux normaux pour s’adapter à la surface et à la forme de deux petites pattes d’une figurine LEGO. La figure 2D montre la LED attachée à la moitié inférieure de la figurine, et la LED sur mesure a été utilisée de manière fiable dans différentes postures des jambes de la figurine. Ce résultat suggère que la LED MR peut être adaptée et fixée à de nombreuses surfaces statiques et même mobiles, telles que les pièces articulaires d’un robot.

Les performances des LED ont été évaluées en mesurant le courant-tension (jeV) courbes caractéristiques et spectres EL en fonction du rayon de courbure (Rb) entre ∞ et 10 mm. Sous une forme plate (Rb = ∞) sans déformation, le jeV la courbe caractéristique montre une caractéristique de redressement de diode typique avec un allumage EL de ~ 4 V, tandis que l’intensité EL augmente rapidement avec une augmentation du courant électrique au-dessus de l’allumage (fig. S12). La figure 3A compare les jeV courbes caractéristiques mesurées à Rb = ∞ et 10 mm, montrant des courbes de redressement électrique comparables avec un seuil électrique de ~ 4 V et un courant de fuite de ~ 5 × 10−3 A à -5 V. Il est évident que les propriétés électriques et EL ne sont pas aussi bonnes que celles des LED commerciales à couche mince. L’une des principales raisons est le double contact en bas sur lequel le noyau n-GaN et coque p-GaN a des contacts avec n-électrode de (Ti / Au). Ce facteur de shunt électrique a fait que le courant de fuite était plus élevé que celui des LED à couche mince de deux ou trois ordres de grandeur. Par conséquent, il est nécessaire d’isoler spatialement et électriquement p-GaN bas de Ti / Au pour améliorer les caractéristiques des LED. En outre, l’uniformité structurelle ainsi que l’optimisation des contacts sont nécessaires pour améliorer les performances des LED MR.

Fig. 3 Propriétés électriques et électroluminescentes et test de cycle de flexion répétitif.

(UNE) jeV courbes caractéristiques et (B) Spectres EL de la LED MR courbée à des rayons de courbures de ∞ (lignes bleues) et 10 mm (lignes rouges). Pour la mesure EL de (B), la LED a fonctionné au même courant de 100 mA. (C) jeV courbes caractéristiques mesurées après répétition des cycles de flexion de 1 à 1000 fois entre des courbures de rayon ∞ et 10 mm. () Position du pic EL (carrés vides rouges) et intensité EL (cercles pleins bleus) mesurées en fonction du cycle de flexion jusqu’à 1000 fois. Pour les mesures, la LED MR a été aplatie et a fonctionné à 100 mA après les cycles de pliage. Les encarts sont des photographies de l’émission EL après des cycles de pliage de 0, 500 et 1000 fois. A.U., unités arbitraires.

L’activation EL a été mesurée à ~ 4 V aux deux courbures. En outre, les caractéristiques d’émission de lumière, telles que la position de crête EL (à 501 nm pour EL cyan) et l’intensité, ne présentaient aucune différence appréciable par rapport à la déformation en flexion à un courant d’injection fixe de 100 mA (figure 3B). Parce que la déformation par contrainte sur les MQW InGaN / GaN induit généralement un changement considérable du spectre de luminescence (49), l’absence de décalage de pic EL suggère que la contrainte mécanique appliquée aux réseaux de LED MR était presque négligeable pour un Rb de 10 mm.

En ce qui concerne l’origine de EL, l’émission lumineuse est supposée être émise par les MQW radiaux InGaN / GaN à trois périodes formés sur les parois latérales MR. Compte tenu de la géométrie MR avec un rapport d’aspect modéré (diamètre moyen, 14,4 μm; hauteur moyenne, 16,1 μm), il peut être plausible que non seulement la paroi latérale mais également les MQW supérieurs émettent l’émission EL. Dans notre observation TEM (fig. S13A), le p-Les épaisseurs de GaN de la paroi latérale et du dessus ont été mesurées à env. 2,4 et 5,5 μm, respectivement, en raison de la croissance anisotrope du MR. Parce que la résistivité de p-GaN est beaucoup plus élevé que celui de n-GaN de trois ordres de grandeur, le courant circule préférentiellement à travers la partie latérale plutôt que la partie supérieure pour minimiser la résistance totale, comme représenté par un modèle de circuit équivalent sur la fig. S14. Ainsi, l’émission EL était censée se produire principalement sur les MQW des parois latérales. Pour éliminer l’EL indésirable des MQW supérieurs pour une pureté de couleur EL plus élevée, il est nécessairement souhaitable de retirer l’électrode métallique supérieure (ou MQW) en utilisant une technique de polissage chimico-mécanique, comme l’a démontré Tomioka et al. (19).

La pleine largeur à la moitié maximale (FWHM) de l’émission EL était de 54 nm pour l’EL cyan, plus large que celle des LED à couche mince (36 nm) pour la même longueur d’onde d’émission de ~ 500 nm (fig. S15). La FWHM plus large est provisoirement due aux écarts MR-à-MR dans la position de pic EL, ou une autre raison possible est la haute MR qui provoque les QW InGaN classés le long du flanc (50).

Dans les déformations de flexion répétitives, les caractéristiques EL et électriques ont été maintenues de manière stable pendant un cycle de flexion de plus de 1000 fois entre la Rb de ∞ et 10 mm. Comme le montre la figure 3C, la LED présentait presque la même jeV courbes après divers cycles de flexion répétitifs. De plus, les paramètres clés pour l’émission EL, y compris l’intensité et la position maximales d’émission d’émission EL intégrées, n’ont montré aucune dégradation notable jusqu’à 1000 cycles de flexion (Fig. 3D). Par conséquent, les LED déformables fabriquées via une hétéroépitaxie à distance sont fiables contre les déformations de flexion, de sorte qu’elles peuvent être montées (ou fixées) sur de nombreuses surfaces courbes sans dommage structurel qui provoque généralement des dysfonctionnements, tels que l’effondrement des réseaux de RM et la rupture des électrodes ou de la RM / jonction d’électrode.

Il est impératif d’explorer comment la relation hétéroépitaxiale éloignée a été déterminée par le substrat de la plaquette sous-jacente malgré la présence du graphène monocouche ou bicouche. À cette fin, les configurations atomiques et les distributions de densité de charge (ρ) de SLG ou de graphène bicouche (BLG) / Al2O3 les substrats ont été estimés par les calculs DFT. L’alignement dans le plan devait être[[

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00]saphir avec BLG graphitique empilé par séquence A-B (Fig.4), et les BLG avec des couches de graphène mal alignées ont également été simulés, comme le montre la fig. S16 (G à L). La figure 4A montre les configurations atomiques simulées DFT dans la disposition du substrat du BLG collé sur c-Al2O3, dans laquelle la distance moyenne du graphène inférieur et supérieur était de 3,63 et 7,07 Å, respectivement, de la surface d’Al2O3. Les distributions de surface p du graphène inférieur et supérieur du BLG ont été simulées en cartographiant la densité de charge à une altitude de 4,4 et 7,3 Å, respectivement, comme indiqué par des lignes bleues sur la figure 4A. Sur la figure 4B, la carte de contour tomographique ρ vue en plan à la surface du graphène inférieur montre que le transfert de charge s’est produit pour présenter des modèles réguliers de charge négative en forme de nid d’abeille (région rouge) et un arrangement triangulaire de charge positive locale (taches bleues) . Plus précisément, les régions de charge positive se sont formées localement sur chaque atome de carbone placé au-dessus des atomes d’Al de l’Al2O3 surface, tandis que les modèles de charge négatifs se sont produits sur des atomes de carbone qui sont proches des atomes d’O. Cela indique qu’une quantité substantielle de la charge a été transférée à travers l’interface non covalente du graphène /c-Al2O3 en raison de la distance proche.

Fig.4 Calcul DFT.

(UNE) Configuration atomique de BLG /c-Al2O3 substrat avec alignement dans le plan de[[

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00]saphir. Cartes de contour de densité de charge (ρ) en plan de BLG /c-Al2O3, sectionné tomographiquement aux hauteurs de (B) 4,4 Å et (C) 7,3 Å en dehors de la surface supérieure d’Al2O3, comme indiqué par des lignes bleues en (A). () Carte de contour de distribution ρ en coupe transversale coupée à travers les trois atomes d’Al, comme indiqué par une ligne rouge en (B) et (C). Les cartes ont été simulées en calculant ρBLG / saphir – ρBLG pour éliminer la densité de charge de fond provenant des couches de graphène. La simulation ρ a été réalisée dans une plage comprise entre −8 × 10-5 e Å−3 et 8 × 10-5 e Å−3. Les emplacements des atomes Al et O dans les cartes de contour en vue en plan sont désignés respectivement par des cercles de ligne de points grands et petits, comme indiqué dans l’encadré.

La même tendance de la distribution ρ de surface est apparue sur le SLG /c-Al2O3 substrats avec deux SLG alignés différemment, comme le montre la fig. S16 (A à F), impliquant que l’alignement du graphène ne peut pas affecter la relation épitaxiale à distance entre GaN et Al2O3 pour l’utilisation de SLG. Cela élucide l’ordre à long terme des directions des facettes hexagonales MR sur toute la zone du substrat malgré l’utilisation de graphène CVD polydomaine (fig. S7). La charge d’Al2O3 n’a pas atteint une hauteur de 4,4 Å sans le graphène, comme simulé sur la fig. S16 (C et F). Par conséquent, nous supposons que l’alignement diamétralement aligné pz les orbitales des deux côtés du graphène ont intermédié le transfert de charge d’Al2O3 à une telle distance de 4,4 Å le long de la z direction.

Au sommet du graphène supérieur de BLG (Fig. 4C), la carte de contour ρ affiche une caractéristique presque neutre en charge pour l’utilisation de BLG. Cette caractéristique a également été observée sur des cartes en coupe verticale pour les différentes combinaisons d’alignement représentatives du graphène inférieur et supérieur (Fig. 4D et fig. S16, H, I, K et L). Il a été découvert que le transfert du graphène supérieur sur celui du bas ne changeait guère la forme globale de la distribution p du graphène inférieur, comme on le voit en comparant la figure 4B et la fig. S16B. La périodicité de la densité de charge alternative sur le graphène inférieur n’a pas été gravement déformée en plaçant le graphène supérieur (fig. S16, G à I et J à L). On a estimé que la quantité de charge nette formée sur le graphène inférieur était beaucoup plus grande que celle sur le supérieur d’un ordre de deux ordres de grandeur de sorte que l’attraction électrique du graphène inférieur / Al2O3 peut pénétrer à travers le graphène supérieur à charge neutre. Cela explique comment l’épitaxie à distance a été rendue possible grâce au SLG à double empilement. En d’autres termes, en raison de la forte influence d’Al2O3 atomes, la relation épitaxiale à distance de GaN et Al2O3 était la même que l’épitaxie covalente. Compte tenu de l’atténuation du transfert de charge à travers BLG, l’utilisation de graphène plus épais ne peut pas conduire l’épitaxie à distance. En pratique, nous avons observé que l’alignement des MR était sérieusement dégradé en utilisant du graphène tricouche ou plus épais.

Les hétéro-interfaces non covalentes et faiblement liées des GaN / graphène / Al épitaxiés éloignés2O3 la structure a permis le délaminage des matrices MR pour la fabrication des LED déformables. Après exfoliation des MR, la surface de l’Al original2O3 la plaquette était propre et lisse, comme une plaquette flambant neuve (fig. S17B), mais le graphène restait à la surface de la plaquette, comme l’a confirmé la spectroscopie Raman (fig. S1). Le substrat natif tel que délaminé a été remis à neuf pour être réutilisé pour l’hétéroépitaxie à distance. Pour la remise à neuf des plaquettes, un nettoyage à base de solvant organique, un traitement thermique à 900 ° C et une gravure ionique réactive ont été effectués pour éliminer complètement le graphène restant ainsi que les résidus inévitablement laissés par l’utilisation de polyimide et de ruban adhésif thermique. Ensuite, le graphène a été transféré sur la tranche nettoyée, suivi par la répétition de la procédure entière montrée sur la figure 2A. La figure 5A montre l’alignement homogène de l’orientation des facettes de la paroi latérale hexagonale MR sur les plaquettes vierges et recyclées, et la taille moyenne et la densité numérique de MR étaient presque les mêmes avec une plage de déviation acceptable. Par exemple, les valeurs moyennes de la densité numérique, de la hauteur et du diamètre des MR préparés sur la tranche recyclée ont été mesurées à (3,3 ± 0,4) × 104 cm-2, 16,9 ± 2,8 μm et 16,7 ± 4,6 μm, respectivement, dont les valeurs sont presque les mêmes que celles de la tranche vierge. Ce résultat indique que la plaquette remise à neuf fournit une surface de qualité comparable à l’épi pour la croissance épitaxiale à distance de la RM.

Fig. 5 Recyclage des plaquettes.

(UNE) Images FE-SEM en vue en plan de réseaux de LED MR hétéroépitaxiaux distants cultivés sur des plaquettes vierges recouvertes de graphène (gauche) et recyclées (droite). Les flèches jaunes indiquent que les MR sur les plaquettes vierges et recyclées ont un alignement homogène dans le plan de la symétrie hexagonale des parois latérales MR. (B) jeV courbes caractéristiques et (C) Spectres EL des LED MR fabriquées en utilisant des plaquettes vierges (ligne bleue) et recyclées (ligne rouge). Les encarts en (C) sont des photographies de l’émission de lumière EL des LED MR fabriquées avec des plaquettes vierges et recyclées dans une pièce sombre. () Photographies de l’émission EL bleue des LED fixées sur la surface d’une bouteille de la taille d’un doigt sous la forme courbée à une Rb de 10 mm. Les spectres EL et les photographies ont été obtenus avec le même courant appliqué de 100 mA et les conditions de mesure EL. Crédit photo: Junseok Jeong, Université Sejong.

Nous avons en outre comparé les performances électriques et EL des LED MR produites à partir de plaquettes vierges et recyclées. le jeV les courbes et les spectres EL montrent que les propriétés électriques et d’émission de lumière des LED obtenues à partir de la plaquette recyclée étaient aussi bonnes que celles de la vierge (Fig. 5, B et C). De manière notable, la longueur d’onde (ou couleur) EL a été reproduite de manière fiable sur la tranche recyclée dans la même condition MOVPE, comme indiqué sur la figure 5C. La LED produite à partir de la plaquette recyclée était également déformable sans dégradation des performances du dispositif (figures 5D et 2C). En conséquence, la capacité de réutiliser les tranches à travers l’épitaxie à distance permet des économies substantielles sur l’utilisation de tranches monocristallines composites à coût élevé.

Remerciements: Le financement: Cette recherche a été financée par les programmes de recherche scientifique fondamentale (NRF-2016R1D1A1B03931518; 2017R1A2B2010123), le programme des centres de recherche prioritaires (2010-0020207) et le programme du centre mondial de recherche et de développement (2018K1A4A3A01064272) par le biais de la NRF de Corée. Nous reconnaissons le soutien financier du KIAT par le biais du programme International Cooperative R&D (N0001819). Ce travail a été soutenu par Laboratory Directed Research and Development et CINT, un département américain de l’énergie, Office of Basic Energy Sciences User Facility at Los Alamos National Laboratory (contrat 89233218CNA000001) et Sandia National Laboratories (contrat DE-NA-0003525). Contributions d’auteur: Y.J.H. conçu et dirigé l’idée expérimentale principale; S.H. effectué des simulations théoriques; M.J.K. analyses microscopiques électroniques dirigées; J.J. et D.K.J. effectué la croissance épitaxiale à distance et les fabrications de LED; Q.W. et S.K. effectué les analyses TEM; J.C. et S.H. simulé les calculs DFT; D.H.S. et S.W.L. effectué les procédures de délaminage et de transfert; B.K.K. et W.S.Y. graphène fabriqué et plaquettes revêtues de graphène; J.H.J., Y.S.C., J.Y., et C.-H.L. propriétés électriques et luminescentes caractérisées; A.Z. et J.K.K. conception de l’électrode semi-transparente et du dépôt de l’électrode à angle oblique; M.J.K., S.H., et Y.J.H. sont respectivement responsables des analyses TEM, des calculs DFT et des pièces de croissance et de fabrication de LED et ont co-écrit le manuscrit. Tous les auteurs ont discuté et commenté le manuscrit. Intérêts concurrents: Les auteurs déclarent n’avoir aucun intérêt concurrent. Disponibilité des données et du matériel: Toutes les données nécessaires pour évaluer les conclusions du document sont présentes dans le document et / ou les documents supplémentaires. Des données supplémentaires concernant ce document peuvent être demandées aux auteurs.

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