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北京石墨烯研究院劉忠範院士團隊與半導體所合作在石墨烯上外延深紫外LED研究中取得新進展

日期:2019-05-05 16:55:10    作者:院宣传部    浏览量:2937 次

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,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与中科院半导体所照明研发中心合作,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)。刘忠范院士、高鹏研究员与半导体所李晋闽研究员、魏同波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,刘忠范院士团队与魏同波研究员合作提出了石墨烯/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

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Compound semiconductor杂志封面和报道页面



(本文轉載自中科院半導體所)

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