北京大学刘忠范团队＆半导体所李晋闽团队Adv. Mater.:基于石墨烯缓冲层的高亮蓝光LED

【引言】

GaN基半导体LED照明具有高效、节能、环保、寿命长、易维护等优点，是人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一场照明革命。仅国内2017年产值就突破6500亿人民币，年节约电达1900亿千瓦时。目前GaN通常是异质外延生长在蓝宝石、碳化硅、硅等衬底上，这些衬底与GaN之间存在较大的晶格失配与热失配，使得外延GaN 薄膜内具有很大的应力，并产生众多的穿透位错，导致LED器件发光效率降低。因此，生长出低应力、高质量的GaN薄膜对于LED性能的提升尤为重要。

【成果简介】

近日，北京大学刘忠范院士的纳米化学研究中心团队和中科院半导体所李晋闽研究员的半导体照明中心团队合作，提出利用石墨烯作为GaN生长缓冲层来实现高亮LED的新策略。在该工作中，研究人员利用CVD的方法，在蓝宝石上直接生长石墨烯，避免了石墨烯转移过程中的污染、破损问题，可规模化制备。在石墨烯/蓝宝石上直接生长的GaN薄膜具有极低应力(0.16 GPa)与位错密度(~10⁸×cm⁻²)，得到的蓝光LED与传统工艺得到的器件相比，光输出功率提升高达19.1%。值得强调的是，在石墨烯上生长GaN薄膜，无需低温缓冲层，可节省MOCVD生长时间，有望进一步降低成本。该成果以题为“High-Brightness Blue Light-Emitting Diodes Enabled by a Directly Grown Graphene Buffer Layer”发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1.石墨烯缓冲层上生长GaN 薄膜流程示意图

图2.石墨烯/蓝宝石衬底上生长的GaN质量相关表征

a) GaN薄膜的表面粗糙度

b) GaN薄膜的EBSD结果

c) GaN薄膜的CL mapping

d) GaN薄膜的Raman光谱

e-f) GaN薄膜的XRD 摇摆曲线。

图3. 石墨烯/蓝宝石衬底上生长的LED器件结构相关表征

a) LED器件结构示意图

b) LED器件结构电镜照片

c) LED器件结构XRD摇摆曲线

d-i) LED器件结构透射电镜表征。

图4. LED器件性能表征

a) 石墨烯LED器件与传统工艺LED器件 I-V 曲线比较

b) 石墨烯LED器件与传统工艺LED器件光输出功率随电流变化曲线

c-d) 有无石墨烯，LED器件发光波长随电流变化曲线。

【结论】

研究人员利用CVD法在蓝宝石衬底上生长石墨烯薄膜，并将其作为GaN外延生长缓冲层，可以大幅度降低GaN薄膜中的应力，将低位错密度，提升LED器件光输出功率。相比于传统工艺，此方法还省略了低温缓冲层，节省MOCVD生长机时，降低成本。该工作为石墨烯的大规模关键应用提供了新思路，并为LED照明的性能提升提供了切实可行的方法。

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

本文由材料人电子电工学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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