半導(dǎo)體所等在石墨烯上外延深紫外LED研究中取得新進(jìn)展

深紫外LED可以廣泛應(yīng)用于殺毒、消菌、印刷和通信等領(lǐng)域，國(guó)際水俁公約的提出，促使深紫外LED的全面應(yīng)用更是迫在眉睫，但是商業(yè)化深紫外LED不到10%的外量子效率嚴(yán)重限制了深紫外LED的應(yīng)用。AlN材料質(zhì)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(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）的方法異質(zhì)外延生長(zhǎng)在c-藍(lán)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(yīng)力與較高的位錯(cuò)密度，嚴(yán)重降低器件性能。與此同時(shí)，AlN前驅(qū)體在這類襯底上遷移勢(shì)壘較高，浸潤(rùn)性較差，傾向于三維島狀生長(zhǎng)，需要一定的厚度才可以實(shí)現(xiàn)融合，增加了時(shí)間成本。

最近，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所照明研發(fā)中心與北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心、北京石墨烯研究院劉忠范團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)出了石墨烯/藍(lán)寶石新型外延襯底，并提出了等離子體預(yù)處理改性石墨烯，促進(jìn)AlN薄膜生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)深紫外LED的新策略。通過DFT計(jì)算發(fā)現(xiàn)，等離子體預(yù)處理向石墨烯中引入的吡咯氮，可以有效促進(jìn)AlN薄膜的成核生長(zhǎng)。在較短的時(shí)間內(nèi)即可獲得高品質(zhì)AlN薄膜，其具有低應(yīng)力、較低的位錯(cuò)密度，深紫外LED器件表現(xiàn)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(fā)表在《先進(jìn)材料》上（Adv. Mater.，DOI: 10.1002/adma.201807345）。半導(dǎo)體所研究員李晉閩、魏同波與北京大學(xué)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(qiáng)為論文共同第一作者。

同時(shí)，魏同波與劉忠范團(tuán)隊(duì)合作提出了石墨烯/NPSS納米圖形襯底外延AlN的生長(zhǎng)模型，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了石墨烯表面金屬原子遷移增強(qiáng)規(guī)律，石墨烯使NPSS上AlN的合并時(shí)間縮短三分之二，同時(shí)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(chǎn)業(yè)化的一個(gè)突破口。相關(guān)成果在Appl. Phys. Lett. 114, 091107 (2019)發(fā)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(bào)道，也被半導(dǎo)體領(lǐng)域評(píng)論雜志Compound Semiconductor 雜志版（2019年第3期）和Semiconductor Today 同時(shí)長(zhǎng)篇報(bào)道。

此外，針對(duì)深紫外發(fā)光器件中p型摻雜國(guó)際技術(shù)難題，劉志強(qiáng)提出了缺陷共振態(tài)p型摻雜新機(jī)制，該方法基于能帶調(diào)控，獲得高效受主離化率的同時(shí)，維持了較高的空穴遷移率，實(shí)現(xiàn)了0.16 Ω.cm的p型氮化鎵電導(dǎo)率，為后續(xù)石墨烯在深紫外器件透明電極中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。相關(guān)成果發(fā)表在Semicond. Sci. Technol. 33, 114004 (2018)，并獲該期刊2018年度青年科學(xué)家最佳論文獎(jiǎng)，該成果也得到2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Amano的積極評(píng)價(jià)。

上述系列研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然基金的支持。