碳纳米管图形化衬底上生长GaN及LED器件的研究

　　目前，三族氮化物材料及其LED器件主要衬底为蓝宝石衬底。由于巨大的晶格失配和热失配，GaN仍然有大量的位错密度。MOVPE生长的GaN材料位错密度的范围大致在109cm-2数量级。北京大学物理学院于彤军研究组与清华大学合作，首次提出了利用碳纳米管在蓝宝石衬底上的超有序排列，实现了具有生长掩膜功能的纳米图形化衬底，并在此衬底上，利用MOVPE技术生长了高质量的GaN外延膜及LED器件。该成果发表在Nano Research, 2012, 5(9): 646–653和CrystEngComm. 2012, 14, 4728–4731。

　　这种碳纳米管图形化衬底，是利用在LPCVD中生长的碳纳米管排列形成的薄膜转移到2英寸的蓝宝石上形成，而GaN外延生长是运用MOVPE完成的，利用北京同步辐射装置（BSRF）4W1-X射线成像实验站进行了高精度晶格结构及应力分析。 扫描方式评估了GaN晶体质量，由于碳纳米管图形的存在，GaN摇摆曲线的半宽明显降低。其中（002）面的半宽由原来的313弧秒降低为223弧秒；而（102）面的半宽更是从原来的482弧秒降低为260弧秒。依据实验和计算结果表明：生长在碳纳米管图形化衬底上的氮化镓的刃位错密度为4.7×108cm-2，比常规生长于蓝宝石衬底上GaN中的四分之一；而螺位错也明显降低。在断面透射电镜（TEM）图中可以看到，在蓝宝石和GaN界面，碳纳米管上方出现空洞，大量的位错线在空洞附近弯曲，在空洞上方位错线相遇，博格斯矢量方向相反的位错相互湮灭。因此，碳纳米管的掩膜在GaN外延过程中呈现出了有效过滤位错的作用。

　　经过Raman光谱的峰的Mapping确认，生长在CPSS上的6微米厚度的GaN层中应力在0.15GPa至0.40GPa变化，而生长在常规蓝宝石上的GaN外延层中的应力则在0.90GPa的程度。数值上，由于碳纳米管的引入，GaN上的应力明显降低；而分布上，生长在碳纳米管掩膜的衬底上的GaN应力宏观上均匀，并且，微观上应力分布具有与碳纳米管的分布相关的特征，在碳纳米管的上方区域应力减弱，说明在碳纳米管上方存在应力弛豫机制，从而与位错在碳纳米管附近的行为的观察结果相互印证。进一步，在外延层中垂直于生长平面的方向上的应力分析也显示纳米数量级的掩膜引入了特殊的弛豫过程。

　　在碳纳米管图形化衬底上生长并制备的LED器件，与常规蓝宝石衬底上制备的LED相比，除了光功率的提高外，LED的饱和电流和饱和光功率提高均达50%-60%。 LED的光功率饱和现象主要来源于工作状态下的热量沉积，正是碳纳米管极好的导热性能使得LED工作的电流容量大大提高。这提示碳纳米管掩膜技术具有应用于大功率器件的重要前景。

　　碳纳米管具有化学上的稳定性、优异的导电、导热特性，并且容易制备大尺寸有序排列的结构，而且制备成本低，1米长度的碳纳米管阵列只消耗1mm厚度的碳纳米管薄膜，不仅如此，碳纳米管掩膜工艺对环境友好。这一工作为碳纳米管的应用开启了新的思路。

　　图1:在碳纳米管图形化衬底上的GaN成核情况和生长中位错行为示意图

　　图2: 生长在碳纳米管图形化衬底上的LED及其L-I和EQE曲线

　　发表文章：

　　Hao Long1†, Yang Wei2†, Tongjun Yu1*, Zhe Wang1, Chuanyu Jia1, Zhijian Yang1, Guoyi Zhang1, Shoushan Fan2*

　　Modulating lateral strain in GaN-based epitaxial layers by patterning sapphire substrates with aligned carbon nanotube films. Nano Research, 2012, 5(9): 646–653.

　　High Quality GaNepilayers Grown on Carbon Nanotubes Patterned Sapphire Substrate by metal organic vapor phase epitaxy. CrystEngComm., 2012, 14, 4728–4731

　　1State Key Laboratory for Artificial Microstructure and Mesoscopic Physics, School of Physics, Peking University, Beijing 100871, (People’s Republic of China)

　　2Department of Physics and Tsinghua-Foxconn Nanotechnology Research Center, Tsinghua University, Beijing 100084 (People’s Republic of China)

　　†These authors contributed equally to this work

　　*Corresponding authors. E-mail: tongjun@pku.edu.cn, fss-dmp@tsinghua.edu.cn