闽都创新实验室开发出直接在GaN LED外延层上无转移生长2英寸晶圆级图案化石墨烯的技术

        GaN发光二极管（LED）是重要发光和显示器件。氧化铟锡（ITO）透明电极是其关键部件，但铟资源的稀缺却使其成本增加。化学气相沉积（CVD）石墨烯面积大、质量高，是ITO的理想替代品，各国CVD石墨烯在GaN光电器件应用的报道都在激增。然而，这些研究只停留在实验室基础研究阶段。限制其实用化的根本瓶颈在于，常规CVD生长技术中，必须将原子级厚度的石墨烯从金属催化剂剥离转移至GaN，其过程不仅可控性差，而且易产生孔洞、褶皱。 
        鉴于此，闽都创新实验室/福州大学孙捷团队另辟蹊径，开发了一种直接在GaN LED外延层上无转移生长2英寸晶圆级图案化石墨烯的技术。仅在600°C沉积温度下，通过CVD在3分钟内就可直接在GaN上合成作为透明电极和散热器的高质量石墨烯。采用的Co薄层既用作石墨烯生长的催化剂，也同时用作干法刻蚀GaN台面的掩模，这种二合一的巧妙工艺设计大提高了半导体器件制程的效率。由于石墨烯的生长只在催化剂表面发生，而催化剂已经事先图形化了，这就使得石墨烯自动被图形化。因此，本技术包含了一种石墨烯的无光刻图形化工艺，避免了石墨烯与光刻胶接触导致污染和掺杂等棘手问题。之后，使用该团队独创的“穿透腐蚀法”，腐蚀液可穿过PMMA薄层和石墨烯层，柔和地去除掉Co，使石墨烯和p-GaN之间实现欧姆接触，接触电阻率仅为0.421Ωcm²。石墨烯面电阻为631.2Ωsq⁻¹。实验中，通过更低的结温和热阻，证明该器件在散热性能方面也优于同类的无石墨烯LED。该研究工作除实现了优异的器件性能外，更重要的是，所开发的二维材料技术是可按比例放大的，石墨烯不需要转移，工艺与半导体平面工艺兼容，这就向二维材料的真正实用化迈出了关键一步。

制备的两英寸石墨烯-GaN LED器件阵列的发光照片

        研究成果以“Transfer-free rapid growth of 2-inch wafer-scale patterned graphene as transparent conductive electrodes and heat spreaders for GaN LEDs”为题发表Nature合作期刊npj 2D Materials and Applications，第一作者为博士生熊访竹，通信作者为闽都创新实验室和福州大学的孙捷教授。孙捷教授是世界上最早进行氮化镓外延层上直接生长石墨烯的研究者。 
        文章链接：https://doi.org/10.1038/s41699-023-00434-9

（孙捷研发团队 供稿）