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半導體所等在石墨烯上外延深紫外LED研究中取得新進展

作者:時間:2019-04-25來源:中國科學院網站收藏

深紫外可以廣泛應用于殺毒、消菌、印刷和通信等領域,國際水俁公約的提出,促使深紫外的全面應用更是迫在眉睫,但是商業化深紫外不到10%的外量子效率嚴重限制了深紫外LED的應用。AlN材料質量是深紫外LED的核心因素之一,AlN薄膜主要是通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)的方法異質外延生長在c-藍寶石、6H-SiC和Si(111)襯底上,AlN與襯底之間存在較大的晶格失配與熱失配,使得外延層中存在較大的應力與較高的位錯密度,嚴重降低器件性能。與此同時,AlN前驅體在這類襯底上遷移勢壘較高,浸潤性較差,傾向于三維島狀生長,需要一定的厚度才可以實現融合,增加了時間成本。

本文引用地址:http://www.rylpcf.shop/article/201904/399872.htm

最近,中國科學院研究所照明研發中心與北京大學納米化學研究中心、北京研究院劉忠范團隊合作,開發出了/藍寶石新型外延襯底,并提出了等離子體預處理改性,促進AlN薄膜生長實現深紫外LED的新策略。通過DFT計算發現,等離子體預處理向石墨烯中引入的吡咯氮,可以有效促進AlN薄膜的成核生長。在較短的時間內即可獲得高品質AlN薄膜,其具有低應力、較低的位錯密度,深紫外LED器件表現出了良好的器件性能。該成果以Improved Epitaxy of AlN Film for Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes Enabled by Graphene 為題發表在《先進材料》上(Adv. Mater.,DOI: 10.1002/adma.201807345)。所研究員李晉閩、魏同波與北京大學劉忠范、研究員高鵬作為論文共同通訊作者,陳召龍與劉志強為論文共同第一作者。

同時,魏同波與劉忠范團隊合作提出了石墨烯/NPSS納米圖形襯底外延AlN的生長模型,理論計算和實驗驗證了石墨烯表面金屬原子遷移增強規律,石墨烯使NPSS上AlN的合并時間縮短三分之二,同時深紫外LED功率得到明顯提高,使深紫外光源有望成為石墨烯產業化的一個突破口。相關成果在Appl. Phys. Lett. 114, 091107 (2019)發表后被選為Featured article,并被AIPScilight 以New AlN film growth conditions enhance emission of deep ultraviolet LEDs 為題專門報道,也被領域評論雜志Compound Semiconductor 雜志版(2019年第3期)和Semiconductor Today 同時長篇報道。

此外,針對深紫外發光器件中p型摻雜國際技術難題,劉志強提出了缺陷共振態p型摻雜新機制,該方法基于能帶調控,獲得高效受主離化率的同時,維持了較高的空穴遷移率,實現了0.16 Ω.cm的p型氮化鎵電導率,為后續石墨烯在深紫外器件透明電極中的應用奠定基礎。相關成果發表在Semicond. Sci. Technol. 33, 114004 (2018),并獲該期刊2018年度青年科學家最佳論文獎,該成果也得到2014年諾貝爾物理學獎獲得者Amano的積極評價。

上述系列研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然基金的支持。 



關鍵詞: 石墨烯 半導體 LED

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