在改進過的氮化鋁(AlN)/石墨烯復合襯底上生長可轉(zhuǎn)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，從而導致AlN通過準范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(chuàng)新性地插入了AlN復合成核層。此外，通過克服石墨烯與外延層之間微弱的范德華力，在確保GaN 成功剝離的同時，制備出高質(zhì)量的GaN外延層。預制的紫色發(fā)光二極管(LED)可提供超高的光輸出功率。該方法證明了實現(xiàn)LED高質(zhì)量垂直結(jié)構(gòu)的可能性，以及機械轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)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，分別為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(zhì)譜(EELS)。
Figure 3 a)在450-800 cm
-1低波數(shù)區(qū)域中GaN外延層的拉曼光譜。b)石墨烯在1200-3000 cm
-1高波數(shù)區(qū)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(zhuǎn)移后襯底的SEM圖，右上插圖為Ga元素的EDS圖。c)轉(zhuǎn)移GaN后襯底在300-3000 cm
-1的拉曼光譜。d)轉(zhuǎn)移GaN在400-800 cm
-1的的拉曼光譜。
Figure 5 a)在目標襯底上生長的LED的制造和傳輸過程的示意圖。b)預制LED中In
0.1Ga
0.9N/GaN MQWs的橫截面圖。c)超晶格和MQWs的高角度環(huán)狀暗視野圖。d) In
0.1Ga
0.9N/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(fā)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(guān)系。c)在3至15 mA的電流下，LED的電致發(fā)光(EL)光譜與注入電流的關(guān)系。d)電流為20至100 mA時，制成的LED的EL光譜。
相關(guān)研究成果于2019年由西安電子科技大學郝躍課題組，發(fā)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
