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西安電子科技大學郝躍課題組–石墨烯上選擇性成核AlN激活可轉移GaN用于高亮度紫光發光二極管

在改進過的氮化鋁(AlN)/石墨烯複合襯底上生長可轉移GaN外延層。本研究采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法進行理論計算,進一步研究了石墨烯上AlN的形成機理。AlN通過其最佳成核位點選擇性地在石墨烯上生長,從而導緻AlN通過準範德華外延在石墨烯上選擇性成核。因此,利用金屬有機化學氣相沉積的時間分布和恒壓生長方法,在石墨烯和GaN之間創新性地插入了AlN複合成核層。此外,通過克服石墨烯與外延層之間微弱的範德華力,在确保GaN 成功剝離的同時,制備出高質量的GaN外延層。預制的紫色發光二極管(LED)可提供超高的光輸出功率。該方法證明了實現LED高質量垂直結構的可能性,以及機械轉移來實現柔性照明的能力。

 Figure 1 a)石墨烯/藍寶石襯底上AlN層生長示意圖(GaN生長過程相同)。b)完整石墨烯晶格上Al原子概率分布示意圖。c-e)斷裂石墨烯晶格上Al原子概率分布示意圖,分别為1級損傷、2級損傷、3級損傷。

Figure 2 a)不同時間段TDCP生長方法示意圖。b)石墨烯/藍寶石上生長的AlN外延層的截面STEM圖。c) (b)中紅線c的單質譜(EELS)。

 Figure 3 a)在450-800 cm-1低波數區域中GaN外延層的拉曼光譜。b)石墨烯在1200-3000 cm-1高波數區域的拉曼光譜。c)樣品3所生長的GaN外延層的AFM高度圖。d)(002)和(e)(102)的GaN膜在藍寶石上以TDCP生長方法生長的X射線搖擺曲線。

 Figure 4 a)從石墨烯/藍寶石襯底剝離的柔性GaN膜的圖像。b) GaN轉移後襯底的SEM圖,右上插圖為Ga元素的EDS圖。c)轉移GaN後襯底在300-3000 cm-1的拉曼光譜。d)轉移GaN在400-800 cm-1的的拉曼光譜。

 Figure 5 a)在目标襯底上生長的LED的制造和傳輸過程的示意圖。b)預制LED中In0.1Ga0.9N/GaN MQWs的橫截面圖。c)超晶格和MQWs的高角度環狀暗視野圖。d) In0.1Ga0.9N/GaN QW晶格的原子分辨率STEM圖。e-g)元素In、Ga、N對應的EDS圖。

 Figure 6 a)半導體發光二極管的電流-電壓(I-V)特性。b)制成的LED的LOP與注入電流的關系。c)在3至15 mA的電流下,LED的電緻發光(EL)光譜與注入電流的關系。d)電流為20至100 mA時,制成的LED的EL光譜。

相關研究成果于2019年由西安電子科技大學郝躍課題組,發表在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

本文來自石墨烯雜志,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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