半導體所在石墨烯上外延深紫外LED研究中取得新進展

2019-04-23
 

深紫外LED可以廣泛應用于殺毒、消菌、印刷和通信等領域,國際水俣公約的提出,促使深紫外LED的全面應用更是迫在眉睫,但是商業化深紫外LED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沈積(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。

最近,中科院半导体所照明研发中心与北京大学纳米化学研究中心、北京石墨烯研究院刘忠范院士团队合作,开发出了石墨烯/蓝宝石新型外延衬底,并提出了等离子体预处理改性石墨烯,促进AlN薄膜生长实现深紫外LED的新策略。通过DFT计算发现,等离子体预处理向石墨烯中引入的吡咯氮,可以有效促进AlN薄膜的成核生长。在较短的时间内即可获得高品质AlN薄膜,其具有低应力、较低的位错密度,深紫外LED器件表现出了良好的器件性能。该成果以题为“Improved Epitaxy of AlN Film for Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes Enabled by Graphene”发表在Adv. Mater.上(DOI: 10.1002/adma.201807345)。半导体所李晋闽研究员、魏同波研究员与北京大学刘忠范院士、高鹏研究员作为论文共同通讯作者,陈召龙博士与刘志强研究员为论文共同第一作者。

同时,魏同波研究员与刘忠范院士团队合作提出了石墨烯/NPSS纳米图形衬底外延AlN的生长模型,理论计算和实验验证了石墨烯表面金属原子迁移增强规律,石墨烯使NPSS上AlN的合并时间缩短三分之二,同时深紫外LED功率得到明显提高,使深紫外光源有望成为石墨烯产业化的一个突破口。相关成果在Appl. Phys. Lett. 114, 091107 (2019)发表后被选为Featured article,并被AIPScilight以题为“New AlN film growth conditions enhance emission of deep ultraviolet LEDs”专门报道,也被半导体领域两大知名评论杂志Compound Semiconductor杂志版(2019年第3期)和Semiconductor Today同时长篇报道。

此外,针对深紫外发光器件中p型掺杂国际技术难题,刘志强研究员提出了缺陷共振态p型掺杂新机制,该方法基于能带调控,获得高效受主离化率的同时,维持了较高的空穴迁移率,实现了0.16 Ω.cm的p型氮化镓电导率,为后续石墨烯在深紫外器件透明电极中的应用奠定基础,经查新为该领域迄今国际最好结果。相关成果发表在Semicond. Sci. Technol. 33, 114004 (2018),并获该期刊2018年度青年科学家最佳论文奖,该成果也得到2014年诺贝尔物理学奖获得者Amano教授的积极评价。

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。

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  图1 石墨烯上AlN成核示意图及深紫外LED器件结果

  

  

  Compound semiconductor杂志封面和报道页面

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  中科院文獻情報中心p型氮化镓電導率查新報告

  文章鏈接:

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201807345

  https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5081112

  https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6641/aadc01/meta

  新聞鏈接:

  https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5097052



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