利用石墨烯作為生長緩沖層來實現(xiàn)高亮 LED 的新策略

二維晶體材料如石墨烯、氮化硼等由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、物理特性和光電性能而被廣泛研究，近年來 二維 材料獨(dú)特的范德華外延也為氮化物外延生長開啟了新的大門 。范德華外延將晶體襯底與材料間的并入式生長模式，轉(zhuǎn)換為范德華低勢壘誘導(dǎo)生長模式， 因此允許外延層與襯底之間存在很大的晶格失配 ，可以用來生長高質(zhì)量氮化物薄膜 。 同時層間范德華作用能夠通過滑移等途徑實現(xiàn)柔性剝離，將為設(shè)計構(gòu)造新型半導(dǎo)體照明產(chǎn)品提供更廣闊的空間。

最近，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體照明研發(fā)中心與北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心劉忠范院士課題組合作，在石墨烯上外延氮化物取得了系列進(jìn)展，提出直接利用石墨烯作為生長緩沖層來實現(xiàn)高亮 LED 的新策略。北大利用 CVD 方法，在藍(lán)寶石上直接生長大面積石墨烯，避免了石墨烯轉(zhuǎn)移過程中的污染、破損問題。半導(dǎo)體所在石墨烯 / 藍(lán)寶石上生長的 GaN 薄膜具有低應(yīng)力（ 0.16 GPa ）和位錯密度（ ~10 8 ×cm ？2 ），得到的藍(lán)光 LED 光輸出功率較傳統(tǒng)工藝提升 19.1% 。同時石墨烯緩沖層省略了低溫緩沖層生長工藝，節(jié)省 MOCVD 生長時間，有望進(jìn)一步降低成本。相關(guān)研究成果發(fā)表于 Advanced Materials （ Adv. Mater. 2018,30,1801608 ）。

同時研究團(tuán)隊也詳細(xì)研究了石墨烯上氮化物生長機(jī)理，發(fā)現(xiàn)石墨烯可以改變成核密度，大幅度提高 AlN 成核島的生長速度，從而降低融合邊界的位錯密度。 DFT 計算和實驗結(jié)果也驗證了石墨烯可以顯著 改善外延層中的應(yīng)力，為后續(xù)柔性 LED 器件實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于 Journal of the American Chemical Society （ JACS ， doi/10.1021/jacs.8b03871 ）。

圖 1 （ a ）石墨烯插入層對 AlN 成核的影響；（ b ）石墨烯 / 藍(lán)寶石及裸露藍(lán)寶石區(qū)域 AlN 成核密度統(tǒng)計；（ c ， d ） AlN/ 石墨烯 / 藍(lán)寶石及 AlN/ 藍(lán)寶石平面樣的選區(qū)電子衍射；（ e ） AlN/ 石墨烯 / 藍(lán)寶石及 AlN/ 藍(lán)寶石中 AlN 的 E 2 (high) 峰的拉曼表征；（ f ） AlN/ 石墨烯 / 藍(lán)寶石中石墨烯的 G 峰及 2D 峰的拉曼表征；（ g ， h ） AlN/ 石墨烯 / 藍(lán)寶石及 AlN/ 藍(lán)寶石中 AlN 的 E 2 (high) 峰的拉曼 Mapping

北大博士生陳召龍和亓月分別作為兩篇論文第一作者，半導(dǎo)體所博士生張翔和王蘊(yùn)玉分別作為共同第一作者，劉忠范院士、李晉閩研究員、魏同波研究員和高鵬研究員作為兩篇論文共同通訊作者。 上述研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然基金的支持。