刘忠范院士团队：石墨烯/蓝宝石新型外延衬底

来源：材料科学与工程

深紫外LED可以广泛应用于杀毒、消菌、印刷和通信等领域，国际水俣公约的提出，促使深紫外LED的全面应用更是迫在眉睫，但是商业化深紫外LED不到10%的外量子效率严重限制了深紫外LED的应用。AlN材料质量是深紫外LED的核心因素之一，AlN薄膜主要是通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）的方法异质外延生长在c-蓝宝石、6H-SiC和Si（111）衬底上，AlN与衬底之间存在较大的晶格失配与热失配，使得外延层中存在较大的应力与较高的位错密度，严重降低器件性能。与此同时，AlN前驱体在这类衬底上迁移势垒较高，浸润性较差，倾向于三维岛状生长，需要一定的厚度才可以实现融合，增加了时间成本。

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。

　　图1 石墨烯上AlN成核示意图及深紫外LED器件结果

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。

Compound semiconductor杂志封面

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国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然基金的支持。（来源：中科院半导体所）

中科院文献情报中心p型氮化镓电导率查新报告