刘忠范:石墨烯作为生长缓冲层打造高亮LED

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二维晶体材料如石墨烯、氮化硼等由于其独特的结构、物理特性和光电性能而被广泛研究，近年来二维材料独特的范德华外延也为氮化物外延生长开启了新的大门 。范德华外延将晶体衬底与材料间的并入式生长模式，转换为范德华低势垒诱导生长模式， 因此允许外延层与衬底之间存在很大的晶格失配 ，可以用来生长高质量氮化物薄膜。同时层间范德华作用能够通过滑移等途径实现柔性剥离，将为设计构造新型半导体照明产品提供更广阔的空间。

最近，中国科学院半导体研究所半导体照明研发中心与北京大学 纳米化学研究中心刘忠范院士课题组合作，在石墨烯上外延氮化物取得了系列进展，提出直接利用石墨烯作为生长缓冲层来实现高亮 LED 的新策略。北大利用 CVD 方法，在蓝宝石上直接生长大面积石墨烯，避免了石墨烯转移过程中的污染、破损问题。半导体所在石墨烯 / 蓝宝石上生长的 GaN 薄膜具有低应力（ 0.16 GPa ）和位错密度（ ~10 8 ×cm 2 ），得到的蓝光 LED 光输出功率较传统工艺提升 19.1% 。同时石墨烯缓冲层省略了低温缓冲层生长工艺，节省 MOCVD 生长时间，有望进一步降低成本。相关研究成果发表于 Advanced Materials （ Adv. Mater. 2018,30,1801608 ）。

同时研究团队也详细研究了石墨烯上氮化物生长机理，发现石墨烯可以改变成核密度，大幅度提高 AlN 成核岛的生长速度，从而降低融合边界的位错密度。 DFT 计算和实验结果也验证了石墨烯可以显著 改善外延层中的应力，为后续柔性 LED 器件实现奠定了基础。相关研究成果在线发表于 Journal of the American Chemical Society （ JACS ， doi/10.1021/jacs.8b03871 ）。

图 1 （ a ）石墨烯插入层对 AlN 成核的影响；（ b ）石墨烯 / 蓝宝石及裸露蓝宝石区域 AlN 成核密度统计；（ c ， d ） AlN/ 石墨烯 / 蓝宝石及 AlN/ 蓝宝石平面样的选区电子衍射；（ e ） AlN/ 石墨烯 / 蓝宝石及 AlN/ 蓝宝石中 AlN 的 E 2 (high) 峰的拉曼表征；（ f ） AlN/ 石墨烯 / 蓝宝石中石墨烯的 G 峰及 2D 峰的拉曼表征；（ g ， h ） AlN/ 石墨烯 / 蓝宝石及 AlN/ 蓝宝石中 AlN 的 E 2 (high) 峰的拉曼 Mapping

北大博士生陈召龙和亓月分别作为两篇论文第一作者，半导体所博士生张翔和王蕴玉分别作为共同第一作者，刘忠范院士、李晋闽研究员、魏同波研究员和高鹏研究员作为两篇论文共同通讯作者。 上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然基金和青年##项目的支持。