石墨烯点亮了深紫外 LED 的发展前景

多层石墨烯可以消除 AlN 中的缺陷，从而大幅提高 LED 效率。

中国北京的研究人员通过在衬底和外延层之间插入一层石墨烯，成功地增大了深紫外 LED (UV LED) 的输出功率。

对开发用于杀菌、聚合物固化、生化检测和特殊照明等领域，且功能更加强大的深紫外光源来说，该研究团队所做的努力可起到辅助作用。目前，在这些应用中使用 LED 受阻于其内部量子效率较低（通常低于 10%）。

由北京的这个研究小组制作的 UV LED 在效率和亮度方面取得了改善，这源于首次运用石墨烯辅助准范德瓦尔斯外延技术在纳米图案化蓝宝石衬底上生长高质量 AlN 薄膜。

采用该方法时，在厚度仅为 1 μm 的 AlN 薄膜中出现聚结。这种厚度是使用标准方法时的 1/3，包括在图案化蓝宝石衬底上生长 AlN 薄膜。不管是生长时间还是材料成本，都由此获得了巨大的节省。

为了解他们所用方法的优势，该研究小组采取了第一原理计算，以确定在蓝宝石和石墨烯上生长铝的能量迁移势垒。在蓝宝石衬底上生长铝时，能量迁移势垒为 1.02 eV，而在石墨烯衬底上生长铝的时候则小了一个数量级以上，这就解释了为什么采用一层石墨烯可促进铝原子的侧向迁移。

迁移的增强是一大优点，因为它激励了二维生长。该研究小组的发言人、来自中国科学院半导体研究所的魏同波解释说：“这不仅引起纳米图案化蓝宝石表面上 AlN 的快速侧向聚结，而且还降低了 AlN 外延层中的位错密度和应变释放。”

反过来，修整位错密度和减小应变能够改善活性区的质量，从而实现较高的内部量子效率和亮度更高的 LED。

此研究小组采用压印光刻和蚀刻工艺来制作纳米图案化蓝宝石，其具有一个由 400 nm 深锥组成的六角形阵列，和 1 μm 的周期。

在把图案化衬底装入 MOCVD 反应器之后，研究人员采用准范德瓦尔斯外延技术添加了石墨烯层。然后，为了提高石墨烯层的化学反应性（在石墨烯上进行 AlN 的外延生长是公认的难以解决的问题），研究人员转向使用氮活性离子蚀刻等离子体处理，以将缺陷引入薄膜。为评估该工艺的影响，研究小组制作了两个样品：一个样品在位于纳米图案化蓝宝石之上的石墨烯层上生长 AlN 薄膜，另一个样品则不包含石墨烯。

扫描电子显微镜显示：通过添加石墨烯，不规则的 AlN 岛消失了，取而代之的是欠特征的平面薄膜。这种形式的显微镜还显示：借助石墨烯层，AlN 能够在薄膜厚度小于 1 μm 时完全聚结。相比之下，对于在纳米图案化蓝宝石上生长 AlN 而言，实现完全聚结需要 2.4 μm厚的 AlN 薄膜。

拉曼光谱仪显示：添加石墨烯减小了应变。应变从 0.87 GPa 降至 0.25 GPa。为了评估 AlN 中的位错密度，研究小组采用明场、横截面透射电子显微镜仔细观察了该外延层。观察结果表明，位错的密度在靠近界面的地方为 5.5 x 10⁹ cm^-2，但是在 1.5μm厚的薄膜表面则仅为 1.5 x 10⁹ cm^-2。

优越的 AlN 将造就更好的 LED 性能。与传统的变体相比，包含石墨烯薄膜的 280 nm 发光波长器件所产生的电致发光峰值高出 2.6 倍。

这个研究小组的目标之一是进一步探究石墨烯对 LED 性能的影响。

魏同波说：“更重要的是，我们将尝试借助多层石墨烯之间的弱范德瓦尔斯力把 AlN 外延层与蓝宝石衬底分开，以获得柔性 LED。准范德瓦尔斯外延技术具备制造柔性 LED 的巨大潜力，可替代激光剥离。”

图注：多层石墨烯可改善外延层的质量，从而造就效率更高的深紫外 LED。

文中插图所含文字的翻译如下：

AlGaN 多量子阱                        不含石墨烯 (Gr)

AlN/AlGaN 超晶格                      含石墨烯 (Gr)

                                       电致发光 (EL) 强度 (a.u.)

                                       波长 (nm)

参考文献

H. Chang et al. Appl. Phys Lett. 114 091107 (2019)