GaN上纳米Ni点催化直接生长石墨烯及其作为透明导电层应用于GaN LED的研究

Aiming at realizing graphene application in GaN LED as transparent conductive layer, making full use of the catalysis of nano Ni dot on growth of graphene and the ohmic contact between Ni and pGaN, and combining our research works in graphene grow and its application in GaN LED, We propose to perform the research on study on graphene direct growth on GaN catalyzed by nano Ni dot and its application in GaN LED as transparent conductive layer. We will focus on the catalytic mechanism of nano Ni dot on the growth of graphene on non-metallic substrate, and growth high quality graphene by virtue of nano Ni dot meanwhile making the ohmic contact form between graphene and pGaN. By virtue of the effect of ammonia on the protection of GaN at high temperature and the in situ doping effect of ammonia in the process of growth of graphene, keep the quality of GaN through high temperature graphene growth and improve the conductivity of graphene film simultaneously. We will make a deep study on the problem of C doping during direct growth, and reveal the mechanism of barrier vanished between graphene and pGaN through graphene direct growth process. At last, we will develop a set of theories to explain this phenomenon.The implementation of this project is of great significance to the application of graphene as a transparent conductive layer in semiconductor optoelectronic devices.

本项目围绕石墨烯作为透明导电层应用于GaN LED这一目标，利用纳米Ni点对石墨烯生长的催化作用和金属Ni与pGaN可以形成欧姆接触的特点，结合申请人及其团队在石墨烯制备和石墨烯应用于GaN LED方面的研究基础，提出开展GaN上纳米Ni点催化直接生长石墨烯作为透明导电层应用于GaN LED的研究。重点研究纳米Ni点对非金属衬底上石墨烯生长的催化机理，借助纳米Ni点生长高质量的石墨烯薄膜，同时使石墨烯薄膜与pGaN形成良好的欧姆接触；利用氨气对高温下GaN的保护和氨气在石墨烯生长过程中原位掺杂的作用，在高温生长石墨烯过程中保护GaN材料的同时提高石墨烯的导电能力；对直接生长过程中产生的C掺杂问题进行深入的研究，揭示生长完成后石墨烯与pGaN势垒消失的物理机制，发展一套合理的石墨烯与半导体的接触理论来解释这一现象。本项目的实施对石墨烯作为透明导电层应用于半导体光电子器件中具有重要意义。

由于透明氧化铟锡（ITO）中稀土元素的储量被不断开采，价格不断攀升，寻找其代替品就显得非常重要。石墨烯因其独特的光电特性，有望成为ITO的替代品。但是石墨烯应用于GaN LED中会产生接触问题和大规模转移问题。为了解决或者避免这样的问题，本项目采用纳米镍点辅助在GaN上直接生长石墨烯的方法来将石墨烯应用于GaN LED中。本项目通过探索垂直冷壁和水平式CVD生长石墨烯，综合评估了两种石墨烯生长方式对于石墨烯质量的影响，揭示两种CVD方法石墨烯生长机理的不同。通过预溅射碳薄膜、铜薄膜，然后进行高温催化反应，在非金属衬底上直接生长了石墨烯薄膜，在此过程中，揭示了铜对于碳从无定型相向石墨烯相的转化机理，并成功的应用于光电探测器，发现其性能优于同类器件，这可能归功于洁净的界面。在SiO2表面制作镍薄膜图形，进行石墨烯生长，通过SEM和光学显微镜分析可以显著的观察到，石墨烯薄膜首先形成在镍薄膜附近，逐渐向无镍薄膜的区域扩散。基于此现象，推断可能是由于镍薄膜不断地溶碳析出，造成了石墨烯薄膜的横向生长。进而在SiO2、GaN上制作纳米镍点，生长石墨烯薄膜，并应用于GaN LED。同时我们分析了经过石墨烯生长的pGaN薄膜与石墨烯薄膜的接触电阻问题，发现直接生长上的石墨烯薄膜确实与pGaN能够形成无势垒接触，但是接触电阻降低幅度有限。而经过石墨烯生长的pGaN在去除石墨烯，重新转移石墨烯之后，仍有较为明显的势垒。足够的证据表明这种现象可能更多的是界面接触问题，而非由于GaN中形成了C掺杂。本项目提出一点新的非金属衬底上直接生长石墨烯的方式，对其中的科学问题进行了一些研究，阐明了一些未知的机理与机制。本项目的研究对于推动石墨烯应用于GaN LED有着非常重要的指导意义，为其产业化应用提供了一种新的思路。