石墨烯应用于GaN基LED的研究进展.pdf

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1、m固态照明前沿技术-石墨烯应用于GaN基LED的研究进展高丹，韩秋漪，张善端(复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心。电光源研究所，上海200433)摘要：自从2004年石墨烯被发现以来。石墨烯凭借其透光性好、电导率和热导率高、柔韧性好等众多优势已经逐渐被应用到光电器件、复合材料以及能量存储等诸多领域，被认为是拥有光明前景的新一代半导体材料。本文简单介绍了石墨烯的发现过程和主要制备方法。重点分析了石墨烯应用于GaN基LED的研究现状和研究进展，总结了目前研究中仍面临的问题并给出了展望。关键词：石墨烯；GaN基LED；CVD；

2、透明电极；性能改善1引言碳是自然界很常见的一种元素，关于碳的同素异形体有很多，像金刚石、石墨、碳60等。石墨烯是碳的一种单质，它也是碳的一种同素异形体。石墨烯具有完美的二维结构。2004年之前的研究普遍认为，由于热力学涨落，二维晶体在有限温度下不可能自由存在。直到2004年，英国Manchester大学的两位科学家AndreGeim和KonstantinNovoselov⋯采用普通胶带从高温裂解石墨上反复剥离，第一次获得了石墨烯，打破了“二维晶体在有限温度下不可能自由存在”的论断。这两人因为此项研究获得了2010年诺贝尔物理

3、学奖，自此石墨烯研究的热潮正式展开。石墨烯，即单层石墨，碳原子排列与石墨的单原子层类似，是由碳原子以sp2杂化轨道组成的具有六边形点阵的规则网络结构旺I。石墨烯的优势众多，是其他半导体材料不能比拟的。石墨烯密度非常小，面密度为0．77mgm～，相当于一张面积为1ill2的石墨烯吊床，其质量仅为0．77mg。石墨烯具有高透明度，零带隙，紫外到近红外范围内透过率高达97％。它是目前已知最薄的材料，厚度仅有0．355nm；其强度非常大，抗拉强度极限为42N／m，是同样厚度的钢的强度的100倍。它的电导率也非常高，载流子迁移率¨高达

4、2X105cm2V’1S～，如果载流子密度n=1012cm～，可算出此二维材料的方块电阻约为3lnm～。石墨烯的热导率非常高，实验值约为5000Wlrl。1K_‘，是室温下铜的热导率的10倍多。此外，其柔韧性能也很好，现已制备出可折叠的无机LED阵列【3】。近年来，由于GaN具有宽禁带、高发光效率、低能耗和长寿命等突出优势，已被广泛用于制备白光LED和各种彩色的LED等。GaN是一种直接带隙化合物，室温下禁带宽度为3．4eV，载流子带间跃迁产生的辐射在近紫外波段，对其适当掺杂后可至可见光区域。然而，GaN基LED存在一个技术

5、难点，即P型GaN的掺杂非常困难，这导致p-GaN层的电阻率偏大，妨碍了载流子(空穴)有效注入到整个pn结有源区，发光区域仅局限在电极附近，且在P型GaN上制作欧姆接触电极也比较困难H。所以为了有效扩展电流、降低正向工作电压、同时避免影响正面出光，在p-GaN层上附加一个透明电极是～个很好的办法。氧化铟锡fITO)就是其中被广泛使用的透明导电薄膜。ITO的带隙宽，载流子浓度和电子迁移率较高，同时具有很高的可见光透射率，因此被广泛应用在太阳能电池的电极材料中。但1TO也存在着很多无法克服的缺点。例如，制备ITO要使用铟，而铟有

6、毒性，会造成环境污染，并危害人体健康；铟的资源稀缺导致其价格昂贵，使得制备ITO的费用非常高；ITO薄膜柔韧性较差，弯曲时易破碎和断裂等。因此，人们急需寻找一种性能更好的材料来替代ITO，而石墨烯凭借良好的透光性能和导电性能，成为首选的最有潜力的替代材料。2石墨烯的制备由于石墨烯具有众多的优异特性，人们纷纷将眼光投入到石墨烯的制备研究中。其制备方法主要包括微机械剥离法、液相剥离法、晶体外延生长法、溶剂热法、氧化还原法、化学气相沉积法fCVD)等。目前，制备石墨烯所面临的主要困难是如何获得低成本、大面积、高质量的石墨烯以进行工

7、业化批量生产。传统的机械剥离法和液相剥离法等仅停留在实验室制备阶段，晶体外延生长法、氧化还原法和CVD法是最有可能解决上述问题的制备方法。一91—-2015上海照明科技及应用趋势论坛—————————————————————————————————————————一晶体外延法，即在一个晶体结构上通过晶格匹配生长出另一种晶体的方法。晶体外延法一般分为SiC外延法和金属外延法。SiC外延法口1就是通过超高真空高温加热单晶SiC以脱去si，使得C原子重新组合生成石墨烯片层的方法。这种制备方法在技术上有一定优势，可获得单层或少数层的

8、石墨烯，但目前还难以实现大面积制备，且能耗高、不利于后续石墨烯的转移。金属外延法【51则是采用与石墨烯晶格匹配的金属单晶体为基底，如Ru(0001)、Ni(111)、lr(111)、Ptf111)等，在高真空环境中，热解含碳化合物f如乙烯、乙炔、苯等1，通过调控和优化制备工艺参数，有望将石