深紫外LED可以廣泛應用于殺毒、消菌、印刷和通信等領域，國際水俁公約的提出，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。

最近，中國科學院半導體研究所照明研發中心與北京大學納米化學研究中心、北京石墨烯研究院劉忠范團隊合作，開發出了石墨烯/藍寶石新型外延襯底，并提出了等離子體預處理改性石墨烯，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）。半導體所研究員李晉閩、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，也被半導體領域評論雜志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。

 

來源：半導體研究所