本研究由Yanqing Jia、Jing Ning、Jincheng Zhang等作者共同完成，研究团队来自西安电子科技大学宽禁带半导体技术国家重点学科实验室和陕西省石墨烯联合重点实验室。该研究于2021年6月28日发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上，题为“High-Quality Transferred GaN-Based Light-Emitting Diodes through Oxygen-Assisted Plasma Patterning of Graphene”。

学术背景

III族氮化物（III-N）半导体材料，如InN、AlN和GaN，是第三代半导体工业中的关键材料，具有高光电转换效率和低功耗等优异性能，是未来光电子、功率电子和高频微电子技术的核心基础。随着可穿戴技术的发展，柔性半导体技术将成为主流，柔性III-N薄膜的制备成为热门研究领域。然而，由于同质氮化物衬底的高成本，III-N薄膜通常采用异质外延生长方法，选择成本较低的c面蓝宝石、SiC和Si(111)作为外延衬底。然而，外延衬底与氮化物薄膜之间存在明显的晶格失配，导致异质外延生长的III-N薄膜缺陷密度较高。为了减少失配效应并获得高质量的III-N薄膜，通常需要引入AlN或预生长的低温GaN（LT-GaN）缓冲层。

近年来，二维（2D）材料成为外延缓冲层的新选择。石墨烯作为最著名的2D材料，其六方排列的晶体结构与氮化物的c面原子相似，因此可以作为III-N薄膜外延生长的可移除层，为实现可转移和柔性LED奠定技术基础。然而，石墨烯表面缺乏悬挂键，极大地限制了氮化物在其上的有效成核，且III-N在石墨烯上的外延机制仍不明确。

研究流程

本研究结合密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算和实验结果分析，从原子尺度研究了AlN缓冲层在石墨烯上的生长机制，并引入氧辅助等离子体图案化石墨烯，实现了高质量和可转移的GaN薄膜。研究的主要流程包括以下几个步骤：

1. 石墨烯合成：将25微米厚的铜箔折叠并放入石英舟中，在石英管中心恒温区加热至1050°C，引入氢气和氩气，然后使用甲烷和氢气作为生长前驱体，生长60分钟。

2. AlN生长：使用三甲基铝（TMAl）和氨气（NH3）作为Al和N的前驱体，氢气（H2）作为载气，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长AlN缓冲层。生长分为两步：低温AlN（LT-AlN）在900°C下生长5分钟，高温AlN（HT-AlN）在1220°C下生长50分钟。

3. GaN生长：使用MOCVD在1050°C下生长60分钟，以NH3和三甲基镓（TMGa）作为Ga和N的前驱体。

4. GaN转移：将热释放胶带粘附在生长于2×2 cm²石墨烯/蓝宝石表面的GaN上，通过加热使胶带失去粘性，实现GaN薄膜的转移。

5. LED制备：在MQWs中使用TMGa和三甲基铟作为Ga和In的前驱体生长In0.1Ga0.9N/GaN，使用镍/金（Ni/Au）双层和钛/铝/镍/金（Ti/Al/Ni/Au）双层作为阳极和阴极电极。

主要结果

研究通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察了AlN在石墨烯和蓝宝石上的成核情况，发现石墨烯可以抑制AlN成核，但改变了Al原子在衬底上的扩散和吸附能力。DFT计算表明，石墨烯显著降低了Al原子在蓝宝石上的扩散势垒，使得AlN在石墨烯区域的横向生长速率更快。此外，石墨烯层数的增加会逐渐提高Al原子的扩散势垒，减少Al原子的吸附能力，从而影响AlN的成核和生长。

研究还通过拉曼光谱和透射电子显微镜（TEM）验证了AlN和石墨烯的质量，发现单层石墨烯上的AlN缓冲层质量最佳。最终，研究成功制备了基于氧辅助等离子体图案化石墨烯的高性能紫色LED，其最大光输出功率（LOP）达到500 mW，表现出高稳定性和高亮度。

结论

本研究通过引入氧辅助等离子体图案化石墨烯，显著提高了AlN缓冲层在石墨烯上的生长质量，实现了高质量和大面积的GaN外延层，并成功实现了其转移和柔性化。研究揭示了石墨烯在可转移III-N生长中的作用，为III族氮化物半导体的柔性电子和光电子器件提供了新的研究思路。

研究亮点

1. 重要发现：石墨烯通过改变蓝宝石的润湿性和Al原子的扩散行为，显著提高了AlN缓冲层的生长质量。
2. 方法新颖性：首次引入氧辅助等离子体图案化石墨烯，实现了高质量和可转移的GaN薄膜。
3. 应用价值：成功制备了高稳定性和高亮度的紫色LED，为柔性电子和光电子器件的发展提供了新的技术路径。

其他有价值的内容

研究还通过DFT计算和实验结果的对比，验证了石墨烯在III-N薄膜生长中的关键作用，为未来基于二维材料和III族氮化物的柔性器件研究提供了理论依据和实验支持。