[논문 리뷰] Fundamental mechanisms of hBN growth by MOVPE

K. Pakuła, Aleksandra Dąbrowska외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 12.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 MOVPE를 통한 헥세고날 보론 nitride(hBN) 성장이 암모니아 유량과 반응기 압력에 따라 두 가지 별개의 메커니즘에 의해 지배됨을 밝혀내며, 원자 단계에서 질소 농축 재구성이 붕소의 화학흡착을 차단함으로써 2차원 성장이 저해됨을 규명했다. 유량 조절 에pitaxy(FME)는 TEB와 암모니아 유량을 주기적으로 전환시켜 동적 단계 재구성을 유도함으로써 이 문제를 해결하며, 지속적인 2차원 성장과 고품질 두꺼운 hBN 층을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Hexagonal boron nitride is a promising material for many applications ranging from deep UV emission to an ideal substrate for other two dimensional crystals. Although efforts towards the growth of wafer-scale, high quality material strongly increased in recent years, the understanding of the actual growth mechanism still remains fragmentary and premature. Here, we unveil fundamental growth mechanisms by investigating the growth of hBN by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) in a wide range of growth conditions. The obtained results contradict the widespread opinion about the importance of parasitic gas-phase reactions decreasing the growth efficiency. Two different growth mechanisms that depend on ammonia flow and reactor pressure can be distinguished. Both mechanisms are effective in the case of polycrystalline growth, but the growth of highly ordered, flat layers, is strongly hindered. The problem is caused by a low efficiency of boron chemisorption on N-terminated edges of sp2-BN sheets forming the atomic steps on the surface of the layer. Two-dimensional growth can be activated and sustained by the flow modulation epitaxy (FME) method, an alternate switching of ammonia and TEB flows. The success of the FME method is explained in terms of periodic changes between N- and B-terminated reconstructions at the edges of sp2- BN sheets, which restore boron chemisorption. The presented results identify the fundamental growth mechanisms, which is the prerequisite for any further deterministic development of efficient, high-quality, large-scale hBN growth with MOVPE.

연구 동기 및 목표

• 다양한 조건에서 hBN의 MOVPE 성장에 대한 기본 메커니즘을 규명하기 위해.
• hBN MOVPE에서 오랫동안 지속된 자가 종료 성장과 낮은 효율성 문제를 해결하기 위해.
• 성장에 제한을 줄 것으로 널리 추정되는 부수적인 기체상 반응의 역할을 명확히 하였으며, 표면 재구성보다 상대적으로 덜 중요한 것으로 밝혀졌다.
• 유량 조절 에pitaxy(FME)가 두꺼운 균일한 2차원 hBN 성장을 어떻게 가능하게 하는지 설명하기 위해.
• 대규모 고품질 hBN 성장을 최적화하기 위한 결정론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 사파이어 기판 상에서 hBN의 MOVPE 성장을 위해 암모니아 유량, 반응기 압력, 온도를 체계적으로 변화시킴.
• 유량 조절 에pitaxy(FME)를 사용하여 TEB와 암모니아 유량을 번갈아가며 공급하여 원료 공급과 표면 재구성을 분리함.
• 표면 결함 상태와 성장 효율을 조사하기 위해 현장 및 외부에서의 광발광(PL) 분광법을 활용함.
• 표면 영상 분석을 통해 층 형상과 고립체 형성, 단계 역학을 규명함.
• 온도와 원료 유량에 따른 성장 효율을 분석하여 표면 제한 메커니즘과 기체상 반응 메커니즘을 구별함.
• 성장 조건과 광학적 성질 간의 연관성을 규명하기 위해 결함 관련 중간역대 발광을 조사함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 암모니아 유량과 반응기 압력은 MOVPE에서 hBN의 기본 성장 메커니즘에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 높은 온도와 충분한 원료가 존재함에도 불구하고 2차원 성장이 몇 나노미터 후에 자가 종료되는 이유는 무엇인가?
• RQ3 hBN MOVPE 성장에서 부수적인 기체상 반응의 진정된 역할은 무엇이며, 표면 재구성 효과와 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ4 유량 조절 에pitaxy(FME)는 어떻게 지속적인 2차원 hBN 성장을 가능하게 하는가?
• RQ5 hBN에서 광학적으로 활성인 결함의 기원은 무엇이며, 성장 조건과 어떻게 연관되는가?

주요 결과

• 저압에서 저유량 암모니아 조건에서는 550 °C에서도 암모니아의 이질적 열분해를 통해 BN 성장을 가능하게 하며, 온도가 증가함에 따라 합성 효율이 선형적으로 증가함.
• 고유량 암모니아와 고압 반응기 조건(HAHP)에서는 950 °C 이상에서만 BN 합성이 가능하며, 1200 °C 이상에서는 암모니아가 완전히 분해되어 효율이 포화됨.
• 2차원 성장은 몇 나노미터 후에 억제되며, 이는 원자 단계에서 질소 농축 재구성이 붕소 화학흡착을 차단하고 삼각형 모양의 sp2-BN 고립체를 형성하기 때문임.
• FME는 암모니아가 부족한 단계에서 원자 단계를 주기적으로 부식시킴으로써 붕소 화학흡착을 복원하고, 암모니아가 풍부한 단계에서는 안정화함으로써 지속적인 2차원 성장을 가능하게 함.
• FME 방법은 중간역대 광발광 강도가 가장 높으며, 이는 질소가 부족한 사이클 동안 강한 단계 부식로 인해 광학적으로 활성인 결함 농도가 가장 높기 때문으로 보임.
• 이 연구는 부수적인 기체상 반응이 낮은 성장 효율의 주요 원인이라는 널리 퍼진 가정을 반박하며, 표면 재구성이 주요 요인임을 규명함.