注册 English

新型石墨烯基LED器件：从生长机理到器件特性

陈召龙 ,  高鹏 ,  刘忠范

downloadPDF
引用本文: 陈召龙, 高鹏, 刘忠范. 新型石墨烯基LED器件：从生长机理到器件特性[J]. 物理化学学报, 2020, 36(1): 190700. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907004 shu
Citation:  Chen Zhaolong, Gao Peng, Liu Zhongfan. Graphene-Based LED: from Principle to Devices[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(1): 190700. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907004 shu

新型石墨烯基LED器件：从生长机理到器件特性

  • 1.

    北京大学化学与分子工程学院，北京分子科学国家研究中心，北京大学纳米化学研究中心，北京 100871

  • 2.

    北京石墨烯研究院，北京 100095

  • 3.

    北京大学电子显微镜实验室，北京大学量子材料研究中心，量子物质科学研究中心，北京 100871

    • 作者简介:
    高鹏，北京大学物理学院研究员，博士生导师。2005年获中国科学技术大学物理学学士，2010年获中国科学院物理研究所凝聚态物理学博士学位。主要研究方向为电子显微学、晶体与低维材料的界面结构;
    刘忠范，1962年出生。1990年获东京大学博士学位；现为北京大学教授，博士生导师，北京石墨烯研究员院长，中国科学院院士。主要研究方向为石墨烯的CVD生长方法与应用;
    通讯作者: 高鹏, p-gao@pku.edu.cn; 刘忠范, zfliu@pku.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点基础研究发展规划项目(973) (2016YFA0200103), 国家自然科学基金(51432002, 51290272)和北京市科学技术委员会(Z181100004818002)资助

摘要: Ⅲ族氮化物因具有禁带宽度大、击穿电压高、电子饱和漂移速度大、稳定性高等优异特性而广泛应用在发光二极管(LED)、激光器以及高频器件中。目前Ⅲ族氮化物薄膜通常是异质外延生长在蓝宝石衬底表面，但是由于蓝宝石与Ⅲ族氮化物之间存在较大的晶格失配与热失配，使得外延生长的Ⅲ族氮化物内部存在较大的应力与较高的位错密度，严重影响了器件性能；与此同时，蓝宝石衬底热导率差，限制了其在大功率器件方面的应用。近年来研究发现，石墨烯作为外延生长缓冲层，能够有效解决蓝宝石衬底与外延Ⅲ族氮化物薄膜之间由于晶格失配和热失配导致的高应力与高位错密度等问题，进而获得了高品质薄膜，并提升了器件的性能。本文综述了石墨烯/蓝宝石衬底上Ⅲ族氮化物生长与LED器件构筑的研究现状，着重介绍了本课题组提出的一种新型外延衬底—石墨烯/蓝宝石衬底的特点，阐明了Ⅲ族氮化物在该新型衬底上的生长机理，总结了其对Ⅲ族氮化物质量提升的作用，并对其发展前景进行了展望。

English

    1. [1]

      Pimputkar, S.; Speck, J. S.; DenBaars, S. P.; Nakamura, S. Nat. Photonics 2009, 3, 179. doi: 10.1038/nphoton.2009.32

    2. [2]

      Schubert, E. F.; Kim, J. K. Science 2005, 308, 1274. doi: 10.1126/science.1108712

    3. [3]

      Ponce, F. A.; Bour, D. P. Nature 1997, 386, 351. doi: 10.1038/386351a0

    4. [4]

      Kobayashi, Y.; Kumakura, K.; Akasaka, T.; Makimoto, T. Nature 2012, 484, 223. doi: 10.1038/nature10970

    5. [5]

      Choi, J. H.; Zoulkarneev, A.; Il Kim, S.; Baik, C. W.; Yang, M. H.; Park, S. S.; Suh, H.; Kim, U. J.; Bin Son, H.; Lee, J. S.; et al. Nat. Photonics 2011, 5, 763. doi: 10.1038/nphoton.2011.253

    6. [6]

      Li, G.; Wang, W.; Yang, W.; Lin, Y.; Wang, H.; Lin, Z.; Zhou, S. Rep. Prog. Phys. 2016, 79, 056501. doi: 10.1088/0034-4885/79/5/056501

    7. [7]

      Nakamura, S.; Krames, M. R. Proc. IEEE 2013, 101, 2211. doi: 10.1109/jproc.2013.2274929

    8. [8]

      Sheu, J. K.; Chang, S. J.; Kuo, C. H.; Su, Y. K.; Wu, L. W.; Lin, Y. C.; Lai, W. C.; Tsai, J. M.; Chi, G. C.; Wu, R. K. IEEE Photonics Technol. Lett. 2003, 15, 18. doi: 10.1109/lpt.2002.805852

    9. [9]

      Fernandez-Garrido, S.; Ramsteiner, M.; Gao, G.; Galves, L. A.; Sharma, B.; Corfdir, P.; Calabrese, G.; Schiaber, Z. D. S.; Pfueller, C.; Trampert, A.; et al. Nano Lett. 2017, 17, 5213. doi: 10.1021/acs.nanolett.7b01196

    10. [10]

      Kim, Y.; Cruz, S. S.; Lee, K.; Alawode, B. O.; Choi, C.; Song, Y.; Johnson, J. M.; Heidelberger, C.; Kong, W.; Choi, S.; et al. Nature 2017, 544, 340. doi: 10.1038/nature22053

    11. [11]

      Choi, J. H.; Zoulkarneev, A.; Kim, S. I.; Baik, C. W.; Yang, M. H.; Park, S. S.; Suh, H.; Kim, U. J.; Bin Son, H.; Lee, J. S.; et al. Nat. Photonics 2011, 5, 763. doi: 10.1038/nphoton.2011.253

    12. [12]

      Meyaard, D. S.; Cho, J.; Schubert, E. F.; Han, S. H.; Kim, M. H.; Sone, C. Appl. Phys. Lett. 2013, 103, 121103. doi: 10.1063/1.4821538

    13. [13]

      Yung, K. C.; Liem, H.; Choy, H. S.; Lun, W. K. J. Appl. Phys. 2011, 109, 094509. doi: 10.1063/1.3580264

    14. [14]

      Chung, K.; Lee, C. H.; Yi, G. C. Science 2010, 330, 655. doi: 10.1126/science.1195403

    15. [15]

      Wong, W. S.; Sands, T.; Cheung, N. W. Appl. Phys. Lett. 1998, 72, 599. doi: 10.1063/1.120816

    16. [16]

      Geim, A. K.; Novoselov, K. S. Nat. Mater. 2007, 6, 183. doi: 10.1038/nmat1849

    17. [17]

      Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896

    18. [18]

      Chen, J. H.; Jang, C.; Xiao, S.; Ishigami, M.; Fuhrer, M. S. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 206. doi: 10.1038/nnano.2008.58

    19. [19]

      Seol, J. H.; Jo, I.; Moore, A. L.; Lindsay, L.; Aitken, Z. H.; Pettes, M. T.; Li, X.; Yao, Z.; Huang, R.; Broido, D.; et al. Science 2010, 328, 213. doi: 10.1126/science.1184014

    20. [20]

      Lee, C.; Wei, X.; Kysar, J. W.; Hone, J. Science 2008, 321, 385. doi: 10.1126/science.1157996

    21. [21]

      Nair, R. R.; Blake, P.; Grigorenko, A. N.; Novoselov, K. S.; Booth, T. J.; Stauber, T.; Peres, N. M. R.; Geim, A. K. Science 2008, 320, 1308. doi: 10.1126/science.1156965

    22. [22]

      Meric, I.; Han, M. Y.; Young, A. F.; Ozyilmaz, B.; Kim, P.; Shepard, K. L. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 654. doi: 10.1038/nnano.2008.268

    23. [23]

      Raccichini, R.; Varzi, A.; Passerini, S.; Scrosati, B. Nat. Mater. 2015, 14, 271. doi: 10.1038/nmat4170

    24. [24]

      刘忠范.物理化学学报, 2017, 33, 853. doi: 10.3866/PKU.WHXB201703171Liu, Z. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 853. doi: 10.3866/PKU.WHXB201703171

    25. [25]

      Liu, S. W.; Wang, H. P.; Xu, Q.; Ma, T. B.; Yu, G.; Zhang, C.; Geng, D.; Yu, Z.; Zhang, S.; Wang, W.; et al. Nat. Commun. 2017, 8, 839. doi: 10.1038/ncomms14029

    26. [26]

      Xia, F.; Mueller, T.; Lin, Y. M.; Valdes-Garcia, A.; Avouris, P. Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 839. doi: 10.1038/nnano.2009.292

    27. [27]

      Nayak, T. R.; Andersen, H.; Makam, V. S.; Khaw, C.; Bae, S.; Xu, X.; Ee, P. L. R.; Ahn, J. H.; Hong, B. H.; Pastorin, G.; et al. ACS Nano 2011, 5, 4670. doi: 10.1021/nn200500h

    28. [28]

      Kong, W.; Li, H.; Qiao, K.; Kim, Y.; Lee, K.; Nie, Y.; Lee, D.; Osadchy, T.; Molnar, R. J.; Gaskill, D. K.; et al. Nat. Mater. 2018, 17, 999. doi: 10.1038/s41563-018-0176-4

    29. [29]

      谭晓宇, 杨少延, 李辉杰.化学学报, 2017, 75, 271. doi: 10.6023/a16100552Tan, X.; Yang, S.; Li, H. Acta Chim. Sin. 2017, 75, 271. doi: 10.6023/a16100552

    30. [30]

      Kim, J.; Bayram, C.; Park, H.; Cheng, C. W.; Dimitrakopoulos, C.; Ott, J. A.; Reuter, K. B.; Bedell, S. W.; Sadana, D. K. Nat. Commun. 2014, 5. doi: 10.1038/ncomms5836

    31. [31]

      Nam, H.; Tran Viet, C.; Han, M.; Ryu, B. D.; Chandramohan, S.; Park, J. B.; Kang, J. H.; Park, Y. J.; Ko, K. B.; Kim, H. Y.; et al. Nat. Commun. 2013, 4. doi: 10.1038/ncomms2448

    32. [32]

      Gupta, P.; Rahman, A. A.; Hatui, N.; Gokhale, M. R.; Deshmukh, M. M.; Bhattacharya, A. J. Cryst. Growth 2013, 372, 105. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2013.03.020

    33. [33]

      Mohseni, P. K.; Behnam, A.; Wood, J. D.; Zhao, X.; Yu, K. J.; Wang, N. C.; Rockett, A.; Rogers, J. A.; Lyding, J. W.; Pop, E.; et al. Adv. Mater. 2014, 26, 3755. doi: 10.1002/adma.201305909

    34. [34]

      Chen, Z.; Liu, Z.; Wei, T.; Yang, S.; Dou, Z.; Wang, Y.; Ci, H.; Chang, H.; Qi, Y.; Yan, J.; et al. Adv. Mater. 2019, 31, 1807345. doi: 10.1002/adma.201807345

    35. [35]

      Chang, H.; Chen, Z.; Li, W.; Yan, J.; Hou, R.; Yang, S.; Liu, Z.; Yuan, G.; Wang, J.; Li, J.; et al. Appl. Phys. Lett. 2019, 114, 091107. doi: 10.1063/1.5081112

    36. [36]

      Zhang, L.; Li, X.; Shao, Y.; Yu, J.; Wu, Y.; Hao, X.; Yin, Z.; Dai, Y.; Tian, Y.; Huo, Q.; et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 4504. doi: 10.1021/am5087775

    37. [37]

      Yoo, H.; Chung, K.; Choi, Y. S.; Kang, C. S.; Oh, K. H.; Kim, M.; Yi, G. C. Adv. Mater. 2012, 24, 515. doi: 10.1002/adma.201103829

    38. [38]

      Li, Y.; Zhao, Y.; Wei, T.; Liu, Z.; Duan, R.; Wang, Y.; Zhang, X.; Wu, Q.; Yan, J.; Yi, X.; et al. Jpn. J. Appl. Phys. 2017, 56. doi: 10.7567/jjap.56.085506

    39. [39]

      Yoo, H.; Chung, K.; Park, S. I.; Kim, M.; Yi, G. C. Appl. Phys. Lett. 2013, 102, 051908. doi: 10.1063/1.4790385

    40. [40]

      Paton, K. R.; Varrla, E.; Backes, C.; Smith, R. J.; Khan, U.; O'Neill, A.; Boland, C.; Lotya, M.; Istrate, O. M.; King, P.; et al. Nat. Mater. 2014, 13, 624. doi: 10.1038/nmat3944

    41. [41]

      Chen, X. D.; Liu, Z. B.; Zheng, C. Y.; Xing, F.; Yan, X. Q.; Chen, Y.; Tian, J. G. Carbon 2013, 56, 271. doi: 10.1016/j.carbon.2013.01.011

    42. [42]

      Liang, X.; Sperling, B. A.; Calizo, I.; Cheng, G.; Hacker, C. A.; Zhang, Q.; Obeng, Y.; Yan, K.; Peng, H.; Li, Q.; et al. ACS Nano 2011, 5, 9144. doi: 10.1021/nn203377t

    43. [43]

      Lin, Y. C.; Jin, C.; Lee, J. C.; Jen, S. F.; Suenaga, K.; Chiu, P. W. ACS Nano 2011, 5, 2362. doi: 10.1021/nn200105j

    44. [44]

      Chen, Z.; Zhang, X.; Dou, Z.; Wei, T.; Liu, Z.; Qi, Y.; Ci, H.; Wang, Y.; Li, Y.; Chang, H.; et al. Adv. Mater. 2018, 30, 1801608. doi: 10.1002/adma.201801608

    45. [45]

      Qi, Y.; Wang, Y.; Pang, Z.; Dou, Z.; Wei, T.; Gao, P.; Zhang, S.; Xu, X.; Chang, Z.; Deng, B.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 11935. doi: 10.1021/jacs.8b03871

    46. [46]

      Ci, H.; Chang, H.; Wang, R.; Wei, T.; Wang, Y.; Chen, Z.; Sun, Y.; Dou, Z.; Liu, Z..; Li, J.; et al. Adv. Mater. 2019, 31, 1901624. doi: 10.1002/adma.201901624

    47. [47]

      Chen, Z.; Qi, Y.; Chen, X.; Zhang, Y.; Liu, Z. Adv. Mater. 2019, 31, 1803639. doi: 10.1002/adma.201803639

    48. [48]

      Sun, J.; Chen, Y.; Priydarshi, M. K.; Chen, Z.; Bachmatiuk, A.; Zou, Z.; Chen, Z.; Song, X.; Gao, Y.; Ruemmeli, M. H.; et al. Nano Lett. 2015, 15, 5846. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b01936

    49. [49]

      Kohler, C.; Hajnal, Z.; Deak, P.; Frauenheim, T.; Suhai, S. Phys. Rev. B 2001, 64, 085333. doi: 10.1103/PhysRevB.64.085333

    50. [50]

      Fanton, M. A.; Robinson, J. A.; Puls, C.; Liu, Y.; Hollander, M. J.; Weiland, B. E.; LaBella, M.; Trumbull, K.; Kasarda, R.; Howsare, C.; et al. ACS Nano 2011, 5, 8062. doi: 10.1021/nn202643t

    51. [51]

      Hwang, J.; Kim, M.; Campbell, D.; Alsalman, H. A.; Kwak, J. Y.; Shivaraman, S.; Woll, A. R.; Singh, A. K.; Hennig, R. G.; Gorantla, S.; et al. ACS Nano 2013, 7, 385. doi: 10.1021/nn305486x

    52. [52]

      Alaskar, Y.; Arafin, S.; Wickramaratne, D.; Zurbuchen, M. A.; He, L.; McKay, J.; Lin, Q.; Goorsky, M. S.; Lake, R. K.; Wang, K. L. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 6629. doi: 10.1002/adfm.201400960

    53. [53]

      Sun, M.; Tang, W.; Ren, Q.; Wang, S.; JinYu; Du, Y.; Zhang, Y. Appl. Surf. Sci. 2015, 356, 668. doi: 10.1016/j.apsusc.2015.08.102

    54. [54]

      Al Balushi, Z. Y.; Miyagi, T.; Lin, Y. C.; Wang, K.; Calderin, L.; Bhimanapati, G.; Redwing, J. M.; Robinson, J. A. Surf. Sci. 2015, 634, 81. doi: 10.1016/j.susc.2014.11.020

    55. [55]

      Nam, H.; Tran Viet, C.; Han, M.; Ryu, B. D.; Chandramohan, S.; Park, J. B.; Kang, J. H.; Park, Y. J.; Ko, K. B.; Kim, H. Y.; et al. Nat. Commun. 2013, 4, 1452. doi: 10.1038/ncomms2448

    56. [56]

      Moon, J.; An, J.; Sim, U.; Cho, S. P.; Kang, J. H.; Chung, C.; Seo, J. H.; Lee, J.; Nam, K. T.; Hong, B. H. Adv. Mater. 2014, 26, 3501. doi: 10.1002/adma.201306287

    57. [57]

      Shao, Y.; Zhang, S.; Engelhard, M. H.; Li, G.; Shao, G.; Wang, Y.; Liu, J.; Aksay, I. A.; Lin, Y. J. Mater. Chem. 2010, 20, 7491. doi: 10.1039/c0jm00782j

    58. [58]

      Jafri, R. I.; Rajalakshmi, N.; Ramaprabhu, S. J. Mater. Chem. 2010, 20, 7114. doi: 10.1039/c0jm00467g

    59. [59]

      Cancado, L. G.; Jorio, A.; Martins Ferreira, E. H.; Stavale, F.; Achete, C. A.; Capaz, R. B.; Moutinho, M. V. O.; Lombardo, A.; Kulmala, T. S.; Ferrari, A. C. Nano Lett. 2011, 11, 3190. doi: 10.1021/nl201432g

    60. [60]

      Trodahl, H. J.; Martin, F.; Muralt, P.; Setter, N. Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 061905. doi: 10.1063/1.2335582

    61. [61]

      Prokofyeva, T.; Seon, M.; Vanbuskirk, J.; Holtz, M.; Nikishin, S. A.; Faleev, N. N.; Temkin, H.; Zollner, S. Phys. Rev. B 2001, 63, 125313. doi: 10.1103/PhysRevB.63.125313

    62. [62]

      Sarua, A.; Kuball, M.; Van Nostrand, J. E. Appl. Phys. Lett. 2002, 81, 1426. doi: 10.1063/1.1501762

    63. [63]

      Srikant, V.; Speck, J. S.; Clarke, D. R. J. Appl. Phys. 1997, 82, 4286. doi: 10.1063/1.366235

    64. [64]

      Wu, Y.; Hanlon, A.; Kaeding, J. F.; Sharma, R.; Fini, P. T.; Nakamura, S.; Speck, J. S. Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 912. doi: 10.1063/1.1646222

    65. [65]

      Ra, Y. H.; Navamathavan, R.; Park, J. H.; Lee, C. R. ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 2111. doi: 10.1021/am303056v

    66. [66]

      Goldberger, J.; He, R. R.; Zhang, Y. F.; Lee, S. W.; Yan, H. Q.; Choi, H. J.; Yang, P. D. Nature 2003, 422, 599. doi: 10.1038/nature01551

    67. [67]

      Yasan, A.; McClintock, R.; Mayes, K.; Shiell, D.; Gautero, L.; Darvish, S. R.; Kung, P.; Razeghi, M. Appl. Phys. Lett. 2003, 83, 4701. doi: 10.1063/1.1633019

    68. [68]

      Yasan, A.; McClintock, R.; Mayes, K.; Darvish, S. R.; Kung, P.; Razeghi, M. Appl. Phys. Lett. 2002, 81, 801. doi: 10.1063/1.1497709

    69. [69]

      Hoiaas, I. M.; Liudi Mulyo, A.; Vullum, P. E.; Kim, D. C.; Ahtapodov, L.; Fimland, B. O.; Kishino, K.; Weman, H. Nano Lett. 2019, 19, 1649. doi: 10.1021/acs.nanolett.8b04607

  • 加载中
WeChat 扫一扫看文章
计量
  • PDF下载量:  14
  • 文章访问数:  1246
  • HTML全文浏览量:  136
文章相关
  • 发布日期:  2020-01-15
  • 收稿日期:  2019-07-01
  • 接受日期:  2019-08-27
  • 修回日期:  2019-08-26
  • 网络出版日期:  2019-01-03
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章

All Rights Reserved by the Chinese Chemical Society   中国化学会 版权所有 京ICP备05002797号

本系统由北京仁和汇智信息技术有限公司开发    技术支持: info@rhhz.net