深紫外LED可以廣泛應用於殺毒、消菌、印刷和通信等領域，國際水俁公約的提出，促使深紫外LED的全面應用更是迫在眉睫，但是商業化深紫外LED不到10%的外量子效率嚴重限制了深紫外LED的應用。AlN材料質量是深紫外LED的核心因素之一，AlN薄膜主要是通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）的方法異質外延生長在c-藍寶石、6H-SiC和Si（111）襯底上，AlN與襯底之間存在較大的晶格失配與熱失配，使得外延層中存在較大的應力與較高的位錯密度，嚴重降低器件性能。與此同時，AlN前驅體在這類襯底上遷移勢壘較高，浸潤性較差，傾向於三維島狀生長，需要一定的厚度才可以實現融合，增加了時間成本。
最近，中科院半導體所照明研發中心與北京大學納米化學研究中心、北京石墨烯研究院劉忠範院士團隊合作，開發出了石墨烯/藍寶石新型外延襯底，並提出了等離子體預處理改性石墨烯，促進AlN薄膜生長實現深紫外LED的新策略。通過DFT計算發現，等離子體預處理向石墨烯中引入的吡咯氮，可以有效促進AlN薄膜的成核生長。在較短的時間內即可獲得高品質AlN薄膜，其具有低應力、較低的位錯密度，深紫外LED器件表現出了良好的器件性能。該成果以題為“Improved Epitaxy of AlN Film for Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes Enabled by Graphene”發表在Adv. Mater.上（DOI: 10.1002/adma.201807345）。半導體所李晉閩研究員、魏同波研究員與北京大學劉忠範院士、高鵬研究員作為論文共同通訊作者，陳召龍博士與劉志強研究員為論文共同第一作者。
同時，魏同波研究員與劉忠範院士團隊合作提出了石墨烯/NPSS納米圖形襯底外延AlN的生長模型，理論計算和實驗驗證了石墨烯表面金屬原子遷移增強規律，石墨烯使NPSS上AlN的合併時間縮短三分之二，同時深紫外LED功率得到明顯提高，使深紫外光源有望成為石墨烯產業化的一個突破口。相關成果在Appl. Phys. Lett. 114, 091107 (2019)發表後被選為Featured article，並被AIPScilight以題為“New AlN film growth conditions enhance emission of deep ultraviolet LEDs”專門報道，也被半導體領域兩大知名評論雜誌Compound Semiconductor雜誌版（2019年第3期）和Semiconductor Today同時長篇報道。
此外，針對深紫外發光器件中p型摻雜國際技術難題，劉志強研究員提出了缺陷共振態p型摻雜新機制，該方法基於能帶調控，獲得高效受主離化率的同時，維持了較高的空穴遷移率，實現了0.16 Ω.cm的p型氮化鎵電導率，為後續石墨烯在深紫外器件透明電極中的應用奠定基礎，經查新為該領域迄今國際最好結果。相關成果發表在Semicond. Sci. Technol. 33, 114004 (2018)，並獲該期刊2018年度青年科學家最佳論文獎，該成果也得到2014年諾貝爾物理學獎獲得者Amano教授的積極評價。
上述系列研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然基金的支持。
圖1 石墨烯上AlN成核示意圖及深紫外LED器件結果
Compound semiconductor雜誌封面和報道頁面
中科院文獻情報中心p型氮化鎵電導率查新報告
文章鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201807345
https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5081112
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6641/aadc01/meta
新聞鏈接：
https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5097052
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