西安电子科技大学郝跃课题组–石墨烯上选择性成核AlN激活可转移GaN用于高亮度紫光发光二极管

在改进过的氮化铝(AlN)/石墨烯复合衬底上生长可转移GaN外延层。本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法进行理论计算，进一步研究了石墨烯上AlN的形成机理。AlN通过其最佳成核位点选择性地在石墨烯上生长，从而导致AlN通过准范德华外延在石墨烯上选择性成核。因此，利用金属有机化学气相沉积的时间分布和恒压生长方法，在石墨烯和GaN之间创新性地插入了AlN复合成核层。此外，通过克服石墨烯与外延层之间微弱的范德华力，在确保GaN 成功剥离的同时，制备出高质量的GaN外延层。预制的紫色发光二极管(LED)可提供超高的光输出功率。该方法证明了实现LED高质量垂直结构的可能性，以及机械转移来实现柔性照明的能力。

 Figure 1 a)石墨烯/蓝宝石衬底上AlN层生长示意图(GaN生长过程相同)。b)完整石墨烯晶格上Al原子概率分布示意图。c-e)断裂石墨烯晶格上Al原子概率分布示意图，分别为1级损伤、2级损伤、3级损伤。

Figure 2 a)不同时间段TDCP生长方法示意图。b)石墨烯/蓝宝石上生长的AlN外延层的截面STEM图。c) (b)中红线c的单质谱(EELS)。

 Figure 3 a)在450-800 cm^-1低波数区域中GaN外延层的拉曼光谱。b)石墨烯在1200-3000 cm^-1高波数区域的拉曼光谱。c)样品3所生长的GaN外延层的AFM高度图。d)(002)和(e)(102)的GaN膜在蓝宝石上以TDCP生长方法生长的X射线摇摆曲线。

 Figure 4 a)从石墨烯/蓝宝石衬底剥离的柔性GaN膜的图像。b) GaN转移后衬底的SEM图，右上插图为Ga元素的EDS图。c)转移GaN后衬底在300-3000 cm^-1的拉曼光谱。d)转移GaN在400-800 cm^-1的的拉曼光谱。

 Figure 5 a)在目标衬底上生长的LED的制造和传输过程的示意图。b)预制LED中In_0.1Ga_0.9N/GaN MQWs的横截面图。c)超晶格和MQWs的高角度环状暗视野图。d) In_0.1Ga_0.9N/GaN QW晶格的原子分辨率STEM图。e-g)元素In、Ga、N对应的EDS图。

 Figure 6 a)半导体发光二极管的电流-电压(I-V)特性。b)制成的LED的LOP与注入电流的关系。c)在3至15 mA的电流下，LED的电致发光(EL)光谱与注入电流的关系。d)电流为20至100 mA时，制成的LED的EL光谱。

相关研究成果于2019年由西安电子科技大学郝跃课题组，发表在Adv. Optical Mater. (https://doi.org/10.1002/adom.201901632)上。原文：Transferable GaN Enabled by Selective Nucleation of AlN on Graphene for High-Brightness Violet Light-Emitting Diodes