石墨烯上AlN成核示意圖及深紫外LED器件結(jié)果

最近，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所照明研發(fā)中心與北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心、北京石墨烯研究院劉忠范團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)出了石墨烯/藍(lán)寶石新型外延襯底，并提出了等離子體預(yù)處理改性石墨烯，促進(jìn)AlN薄膜生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)深紫外LED的新策略。通過(guò)DFT計(jì)算發(fā)現(xiàn)，等離子體預(yù)處理向石墨烯中引入的吡咯氮，可以有效促進(jìn)AlN薄膜的成核生長(zhǎng)。在較短的時(shí)間內(nèi)即可獲得高品質(zhì)AlN薄膜，其具有低應(yīng)力、較低的位錯(cuò)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(jìn)材料》上（Adv. Mater.，DOI: 10.1002/adma.201807345）。半導(dǎo)體所研究員李晉閩、魏同波與北京大學(xué)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(qiáng)為論文共同第一作者。

同時(shí)，魏同波與劉忠范團(tuán)隊(duì)合作提出了石墨烯/NPSS納米圖形襯底外延AlN的生長(zhǎng)模型，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了石墨烯表面金屬原子遷移增強(qiáng)規(guī)律，石墨烯使NPSS上AlN的合并時(shí)間縮短三分之二，同時(shí)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(gè)突破口。相關(guān)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(bào)道，也被半導(dǎo)體領(lǐng)域評(píng)論雜志Compound Semiconductor 雜志版（2019年第3期）和Semiconductor Today 同時(shí)長(zhǎng)篇報(bào)道。

此外，針對(duì)深紫外發(fā)光器件中p型摻雜國(guó)際技術(shù)難題，劉志強(qiáng)提出了缺陷共振態(tài)p型摻雜新機(jī)制，該方法基于能帶調(diào)控，獲得高效受主離化率的同時(shí)，維持了較高的空穴遷移率，實(shí)現(xiàn)了0.16 Ω.cm的p型氮化鎵電導(dǎo)率，為后續(xù)石墨烯在深紫外器件透明電極中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。相關(guān)成果發(fā)表在Semicond. Sci. Technol. 33, 114004 (2018)，并獲該期刊2018年度青年科學(xué)家最佳論文獎(jiǎng)，該成果也得到2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Amano的積極評(píng)價(jià)。

上述系列研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然基金的支持。

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)、韓國(guó)首爾大學(xué)（SNU）、韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)研究院（KRISS）日前聯(lián)合宣布開發(fā)出了全球最薄的白熾燈泡，相關(guān)論文已刊登在學(xué)術(shù)期刊《自然納米技術(shù)》（NatureNanotechnology）上。通電后發(fā)光的“燈絲”是由碳原子結(jié)合而成的二維石墨烯。上述幾家單位開發(fā)這種白熾燈泡，是為了將其用作由硅光子等硅半導(dǎo)體制成的光電路的光源。

這種白熾燈泡是在硅芯片上的兩個(gè)位置設(shè)置SiO2“橋墩”、并在其上的電極間像搭吊橋一樣配置帶狀石墨烯而實(shí)現(xiàn)的，橋長(zhǎng)為數(shù)μm。通電時(shí)，石墨烯的溫度會(huì)超過(guò)2500℃，發(fā)光原理跟白熾燈泡一樣。論文第一作者、哥倫比亞大學(xué)博士后研究員YoungDuckKim介紹稱，“能以肉眼可見的亮度在可見光波段發(fā)光”。

另外，這種白熾燈泡能在相同溫度下改變發(fā)光顏色，這是普通白熾燈泡很難實(shí)現(xiàn)的。改變SiO2橋墩的高度，就能改變發(fā)光顏色。這是因?yàn)槭艚z發(fā)出的光一部分被硅芯片反射，與直接發(fā)出的光線發(fā)生干涉的結(jié)果。Kim指出，“之所以會(huì)這樣，是因?yàn)槭┎牧鲜菐缀跬该鞯摹薄?/p>

以前，研究人員一直認(rèn)為這種利用熱量來(lái)發(fā)光的元件不能用于半導(dǎo)體技術(shù)。因?yàn)閿?shù)千攝氏度的溫度別說(shuō)是電路，就連硅基板也會(huì)被熔化掉。

而此次之所以能取得顛覆常識(shí)的結(jié)果，是因?yàn)槭┑奶厥庑再|(zhì)。石墨烯原本就是作為導(dǎo)熱率非常高的材料而為人熟知的。因此很難使石墨烯發(fā)熱，即使能使其發(fā)熱，熱量也會(huì)傳導(dǎo)到外部。但是，據(jù)KRISSKRISS高級(jí)研究員Myung-HoBae介紹，實(shí)際上石墨烯在達(dá)到高溫時(shí)，原來(lái)的特性會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)熱率會(huì)大幅降低。這是因?yàn)椤案邷貢r(shí)，石墨烯中的電子能量比石墨烯聲振動(dòng)模式的能量高很多，外部增加的能量不會(huì)傳導(dǎo)到周圍，而是用來(lái)提高熱量”。

這一特性導(dǎo)致的結(jié)果便是，只有帶狀石墨烯中央附近的大約1個(gè)點(diǎn)會(huì)發(fā)出超過(guò)2500℃的熱量，而不向周圍傳導(dǎo)。

現(xiàn)在，開發(fā)小組正在開發(fā)通過(guò)控制元件中流動(dòng)的電流來(lái)直接改變?cè)l(fā)光的技術(shù)。