北京大學劉忠范團隊＆半導體所李晉閩團隊Adv. Mater.:基于石墨烯緩沖層的高亮藍光LED

【引言】

GaN基半導體LED照明具有高效、節能、環保、壽命長、易維護等優點，是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一場照明革命。僅國內2017年產值就突破6500億人民幣，年節約電達1900億千瓦時。目前GaN通常是異質外延生長在藍寶石、碳化硅、硅等襯底上，這些襯底與GaN之間存在較大的晶格失配與熱失配，使得外延GaN 薄膜內具有很大的應力，并產生眾多的穿透位錯，導致LED器件發光效率降低。因此，生長出低應力、高質量的GaN薄膜對于LED性能的提升尤為重要。

【成果簡介】

近日，北京大學劉忠范院士的納米化學研究中心團隊和中科院半導體所李晉閩研究員的半導體照明中心團隊合作，提出利用石墨烯作為GaN生長緩沖層來實現高亮LED的新策略。在該工作中，研究人員利用CVD的方法，在藍寶石上直接生長石墨烯，避免了石墨烯轉移過程中的污染、破損問題，可規模化制備。在石墨烯/藍寶石上直接生長的GaN薄膜具有極低應力(0.16 GPa)與位錯密度(~10⁸×cm^?2)，得到的藍光LED與傳統工藝得到的器件相比，光輸出功率提升高達19.1%。值得強調的是，在石墨烯上生長GaN薄膜，無需低溫緩沖層，可節省MOCVD生長時間，有望進一步降低成本。該成果以題為“High-Brightness Blue Light-Emitting Diodes Enabled by a Directly Grown Graphene Buffer Layer”發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.石墨烯緩沖層上生長GaN 薄膜流程示意圖

圖2.石墨烯/藍寶石襯底上生長的GaN質量相關表征

a) GaN薄膜的表面粗糙度

b) GaN薄膜的EBSD結果

c) GaN薄膜的CL mapping

d) GaN薄膜的Raman光譜

e-f) GaN薄膜的XRD 搖擺曲線。

圖3. 石墨烯/藍寶石襯底上生長的LED器件結構相關表征

a) LED器件結構示意圖

b) LED器件結構電鏡照片

c) LED器件結構XRD搖擺曲線

d-i) LED器件結構透射電鏡表征。

圖4. LED器件性能表征

a) 石墨烯LED器件與傳統工藝LED器件 I-V 曲線比較

b) 石墨烯LED器件與傳統工藝LED器件光輸出功率隨電流變化曲線

c-d) 有無石墨烯，LED器件發光波長隨電流變化曲線。

【結論】

研究人員利用CVD法在藍寶石襯底上生長石墨烯薄膜，并將其作為GaN外延生長緩沖層，可以大幅度降低GaN薄膜中的應力，將低位錯密度，提升LED器件光輸出功率。相比于傳統工藝，此方法還省略了低溫緩沖層，節省MOCVD生長機時，降低成本。該工作為石墨烯的大規模關鍵應用提供了新思路，并為LED照明的性能提升提供了切實可行的方法。

文獻鏈接：High‐Brightness Blue Light‐Emitting Diodes Enabled by a Directly Grown Graphene Buffer Layer, (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201801608)

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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