Strain Engineering in Graphene-Assisted III-N Epitaxy

Abstract

The growing demand for highly integrated, high-performance, and multifunctional devices has brought heterogeneous integration to the forefront. Heterogeneous integration integrates epitaxial layers of different material systems on a single wafer; however, thick dissimilar substrates hinder directly stacking epitaxial layers onto on-wafer circuits. Accordingly, a process for damage-free delamination of epilayers from their growth substrates is essential. Although several release methods exist—such as laser lift-off and chemical lift-off—industrial requirements on thermal budgets and performance also call for the ability to grow ultrathin epilayers with high crystalline quality. One approach capable of satisfying both needs is 2D-material-assisted epitaxy. In conventional heteroepitaxy, most compound semiconductors are grown on dissimilar substrates, and strain from lattice mismatch is unavoidable; it is typically relaxed through the formation of dislocations. As a result, epitaxial stacks are often made thicker to reduce dislocation density—a fundamental limitation. By contrast, in 2D-material-assisted epitaxy, including graphene-assisted epitaxy, the weak interfacial bonding allows mismatch-induced strain to relax via lattice displacement and interfacial sliding rather than by generating dislocations. Consequently, thick strain-relief layers are not strictly required. However, 2D-material-assisted epitaxy generally has a narrower optimal growth window than conventional epitaxy, and achieving high-quality films requires careful consideration Jeongwoon Kim. Strain Engineering in Graphene-assisted III-N Epitaxy. Department of Electrical Engineering and Computer Science. 2026. 152p. Advisor Prof. Dong-Seon Lee PhD/EC 20202002 of the three-body interaction among the epilayer, the 2D material, and the substrate (Epi– 2D material–Substrate). The strength and defect state of each interaction change the driving forces for nucleation and growth, thereby altering epitaxial relation, defect formation, and strain-relaxation behavior. Broadly, 2D-material-assisted epitaxy can be categorized into van der Waals (vdW) epitaxy, remote epitaxy, and epitaxial lateral overgrowth (ELOG): vdW epitaxy is governed primarily by Epi–2D interactions; remote epitaxy by Epi–2D–Substrate interactions; and ELOG by Epi–Substrate interactions. In this dissertation study methods to relax and engineering the internal strain in epilayers by engineering the Epi–2D material–Substrate interaction in graphene-assisted epitaxy. It consists of three parts: Part I — Roles of Nanoscale Defects of Graphene in Remote Epitaxy of GaN: We analyze how nanoscale defects in graphene modify the Epi–2D interaction during remote epitaxy. Depending on the defect state, GaN exhibits distinct growth modes and strain-relaxation characteristics. In particular, nitrogen-defective graphene yields growth behavior distinguishable from pure remote epitaxy, termed anchored remote epitaxy. Part II — Strain Relaxation in Nanometer-Scale GaN Epitaxial Film on Graphene/SiC: We grow nanometer-scale GaN epilayers by remote epitaxy and identify a GaN– graphene/SiC combination that minimizes edge-dislocation formation by tuning the strength of the remote interaction. In the ultra-thin regime, a weaker remote interaction effectively extends the practical critical thickness and suppresses dislocation generation. Part III — Strain-Controlled InGaN LED Epi-Growth by Lateral Growth Area Control: By tailoring the lateral growth region in ELOG, we control the overall internal strain of the epilayer and thereby vary the indium content of InGaN LEDs under otherwise identical growth conditions. In this study, we achieve up to ~0.16 GPa of strain modulation relative to the reference sample, corresponding to a maximum photoluminescence wavelength shift of ~21 nm. Collectively, these results demonstrate that engineering the Epi–2D–Substrate interaction in graphene-assisted epitaxy can proactively determine epilayer properties— epitaxial registry, defect density, internal strain, and emission wavelength. Unlike conventional approaches that rely solely on substrate and epitaxial stack design, the 2D interfacial layer enables interaction-driven control, providing an effective pathway to realize high-crystallinity epilayers at ultrathin thickness. The findings of this dissertation offer a foundation for the growth of extremely thin, high-quality epilayers suited for next- generation heterogeneous integration. ⓒ2026 Jeongwoon Kim ALL RIGHTS RESERVED|고집적·고성능·다기능 소자에 대한 수요가 급증함에 따라 이종 집적(heterogeneous integration) 기술이 주목받고 있다. 이종 집적은 하나의 웨이퍼 위에 서로 다른 재료계의 에피층을 통합하는 기술로, 두꺼운 이종 기판은 회로 위에 에피를 직접 적층하는 데 걸림돌이 된다. 따라서 에피를 기판으로부터 손상 없이 박리하는 공정이 필수적이다. 박리 방법으로는 laser lift-off, chemical lift-off 등 여러 기술이 있으나, 박리 가능성뿐 아니라 얇으면서도 고결정성의 에피층을 성장할 수 있어야 열 및 성능 측면에서의 산업적 수요를 충족 시킬 수 있다. 이 두 요구 조건을 동시에 충족시킬 수 있는 접근 중 하나는 2D material-assisted epitaxy이다. Conventional heteroepitaxy 에서는 대부분의 화합물 반도체가 이종 기판 위에서 성장되며, lattice mismatch 로 인한 응력이 불가피하게 발생하고 이는 주로 dislocation 형성을 통해 완화된다. 결과적으로 dislocation 을 줄이기 위해 에피 두께를 두껍게 설계해야 하는 한계가 있다. 반면 graphene-assisted epitaxy 를 포함한 2D material-assisted epitaxy에서는 약한 계면 결합 덕분에, 격자 불일치에 의해 유도되는 응력이 dislocation 발생이 아니라 격자 변위(lattice displacement)와 interface sliding을 통해 완화될 수 있다. 따라서 2D material-assisted epitaxy에서는 응력 완화를 위해 두꺼운 완화층이 필수적이지 않다는 장점이 있다. 다만 2D material-assisted epitaxy 는 conventional epitaxy 에 비해 최적 성장 창이 상대적으로 좁고, 고품질 박막을 구현하려면 Epi–2D material–Substrate 의 상호작용을 정밀하게 고려해야 한다. 각 상호작용의 세기와 결함 상태에 따라 핵생성(nucleation)과 성장(growth)의 구동력이 달라지며, 그에 따라 epitaxial relation, 결함 형성, 응력 완화 양상 등 에피 특성이 크게 변한다. 2D material- assisted epitaxy는 일반적으로 van der Waals (vdW) epitaxy, remote epitaxy, epitaxial lateral overgrowth (ELOG)로 구분되는데, vdW epitaxy 에서는 주로 Epi–2D 상호작용이, remote epitaxy 에서는 Epi–2D–Substrate 상호작용이, ELOG 에서는 Epi–Substrate 상호작용이 지배적으로 작용한다. 김정운. 그래핀 보조 3족 질화물 에피택시에서의 스트레인 엔지니어링. 전기전자컴퓨터공학부. 2026. 152p. 지도교수: 이 동선 PhD/EC 20202002 본 학위논문은 graphene-assisted epitaxy에서 Epi–2D material–Substrate 상호작용을 제어하여 에피 내부 응력을 완화·조절하는 방법을 탐색하였다. 논문은 총 세 부분으로 구성되며, 각 연구의 핵심 내용은 다음과 같다. Part I Roles of Nanoscale Defects of Graphene in Remote Epitaxy of GaN: Remote epitaxy 에서 그래핀의 나노스케일 결함이 Epi–2D 상호작용에 미치는 영향을 분석하였다. 결함 상태에 따라 GaN 의 성장 모드와 응력 완화 특성이 유의미하게 달랐으며, 특히 질소 결함이 도입된 그래핀에서는 순수 remote epitaxy와 구분되는 anchored remote epitaxy 거동이 관찰되었다. Part II. Strain Relaxation in Nanometer-Scale GaN Epitaxial Film on Graphene/SiC: Remote epitaxy 를 통해 나노미터 스케일 GaN 에피를 성장하고, remote interaction 의 세기를 조절하여 edge dislocation 발생을 최소화할 수 있는 GaN– graphene/SiC 조합을 확인하였다. 극히 얇은 두께 영역에서는 약한 remote interaction 을 통해 critical thickness 를 실질적으로 확장시키고 dislocation 생성을 억제하는 전략이 유리함을 보였다. Part III Strain-controlled InGaN LED Epi-Growth by Lateral Growth Area Control: ELOG 의 측면 성장 영역 폭을 제어하여 에피 전체 내부 응력을 조절하고, 동일한 성장 조건에서 InGaN LED 의 In 함량을 변화시켰다. 본 연구에서 레퍼런스 대비 최대 0.16 GPa 수준의 응력 조절이 가능했으며, 이에 따라 최대 약 21 nm의 발광 파장 변화를 달성하였다 본 연구는 graphene-assisted epitaxy 에서 Epi–2D–Substrate 상호작용의 공학적 제어가 에피 특성(결정 정합, 결함, 응력, 발광 파장 등)을 주도적으로 바꿀 수 있음을 실증한다. 이는 기판과 에피 구조만으로 특성을 조절하던 기존 접근과 달리, 2D 계면을 매개로 한 상호작용 설계를 통해 얇은 두께에서도 고결정성 에피층을 구현할 수 있는 유효한 경로를 제시한다. 본 논문의 결과는 차세대 이종 집적을 위한 초박형·고품질 에피층 성장의 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다. ⓒ2026 김정운 ALL RIGHTS RESERVED