Advanced Science:颠覆传统外延模式—石墨烯驱动AlN薄膜的准二维生长,有效增强DUV-LED发光性能

基于AlGaN的深紫外发光二极管(DUV-LED)在灭菌消毒、生化检测、非视距通讯和特殊照明领域具有广泛应用前景,但由于缺乏具有高性价比的同质衬底,作为模板层的AlN通常在蓝宝石衬底上异质外延生长,这导致AlN外延层中出现大量的位错,严重劣化了DUV-LED的性能。为提高在蓝宝石上生长AlN薄膜的质量,研究人员采取了各种方法,包括使用NH3脉冲流技术、图形蓝宝石衬底(PSS)、图案化的AlN/蓝宝石模板的外延横向过生长技术。就目前来看,采用纳米图形蓝宝石衬底(NPSS)被广泛认为是实现高质量AlN薄膜和高性能DUV-LED外延生长的稳定且有效的方法。然而,由于Al原子在蓝宝石(或NPSS)上的高表面粘附系数,AlN生长通常遵循三维 Volmer-Weber生长模式。在Volmer-Weber模式下,在AlN/NPSS界面成核岛的合并过程中会产生高密度的位错,并极易向上传播到薄膜表面。此外,由于需要较长的生长时间来覆盖NPSS,导致薄膜在NPSS上的合并高度(超过3μm)比在平坦蓝宝石上高得多。

改变常规3D生长模式的关键是减轻大失配衬底对金属原子的强烈吸附,而二维材料作为缓冲层,可以在一定程度上屏蔽衬底,是一种值得采用的方法。石墨烯作为理想的二维材料缓冲层,已被证明可以有效减少氮化物与衬底之间的失配效应,并进一步有助于实现可转移的光电器件。因此,通过准范德华外延(QvdWE)在石墨烯上直接生长III族氮化物外延层,可以放宽对常规异质外延的严格要求。更值得注意的是,石墨烯不仅可以降低氮化物生长过程中的表面迁移势垒,而且可以促进金属Al原子在其上的横向迁移,从而促进二维模式的生长。 中科院半导体所魏同波研究员与北京大学高鹏研究员等人成功在石墨烯/NPSS上实现了低应力和低位错密度AlN薄膜的QvdWE生长,并展示了其在高性能DUV-LED中的应用。通过第一性原理计算,确认了石墨烯上外延AlN在能量和动力学方面都更倾向于二维横向生长,实验也证明AlN薄膜可以快速覆盖NPSS,外延层合并高度缩减到1μm左右。与传统低温AlN成核层作缓冲层的器件相比,具有石墨烯的272 nm DUV-LED表现出更高的输出功率以及更低的反向漏电。该工作不仅体现了NPSS上直接生长石墨烯的实际应用,同时还可为高光效的DUV-LED的实现带来可行性的颠覆性技术。相关论文在线发表在Advanced Science上 (DOI: 10.1002/advs.202001272)。