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(yè)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(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化學氣相沉積（MOCVD）的方法異質(zhì)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(qū)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(xiàn)深紫外LED的新策略。通過DFT計算發(fā)現(xiàn)，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(nèi)即可獲得高品質(zhì)AlN薄膜，其具有低應力、較低的位錯密度，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(guī)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(chǎn)業(yè)化的一個突破口。相關成果在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(fā)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(tài)p型摻雜新機制，該方法基于能帶調(diào)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(xiàn)了0.16 Ω.cm的p型氮化鎵電導率，為后續(xù)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(fā)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(fā)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
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