NCSU-forskere udvikler en proces til at gøre lasere, LED'er mere effektive

Udgivelsesdato: 26. oktober 2021

af Matt Shipman

Forskere fra North Carolina State University har udviklet en ny proces, der gør brug af eksisterende industristandardteknikker til fremstilling af III-nitrid-halvledermaterialer, men resulterer i lagdelte materialer, der vil gøre LED'er og lasere mere effektive.

III-nitrid-halvledermaterialer er halvledere med bred båndgab, der er af særlig interesse i optiske og fotoniske applikationer, fordi de kan bruges til at skabe lasere og LED'er, der producerer lys i det synlige båndbreddeområde. Og når det kommer til storskala fremstilling, III-nitrid-halvledermaterialer fremstillet ved hjælp af en teknik kaldet metal organisk kemisk dampaflejring (MOCVD).

Halvlederenheder kræver to materialer, en "p-type" og en "n-type." Elektroner bevæger sig fra n-type materiale til p-type materiale. Dette er gjort muligt ved at skabe et p-type materiale, der har "huller" eller rum, som elektroner kan bevæge sig ind i.

Elektroluminescensmålinger af (a) Blå LED på GaN, (b) Grøn LED på InGaN skabelon, (c) Nær gul LED på InGaN skabelon. Indsætningerne i fig. 1(b) og fig. 1(c) viser billedet af emissionen ved 1,5 mA injektionsstrøm. Billede via NCSU)

En udfordring for folk, der laver LED'er og lasere, har været, at der var en begrænsning på antallet af huller, man kan lave i p-type III-nitrid-halvledermaterialer, der er skabt ved hjælp af MOCVD. Men den grænse gik bare op.

"Vi har udviklet en proces, der producerer den højeste koncentration af huller i p-type materiale i enhver III-Nitrid halvleder fremstillet ved hjælp af MOCVD," siger Salah Bedair, medforfatter til et papir om arbejdet og en fremtrædende professor i elektrisk og computer ingeniør hos NC State. "Og dette er materiale af høj kvalitet - meget få defekter - hvilket gør det velegnet til brug i en række forskellige enheder."

Rent praktisk betyder det, at mere af energitilførslen i LED'er omdannes til lys. For lasere betyder det, at mindre af energitilførslen vil blive spildt som varme ved at reducere metalkontaktmodstanden.

LED'er indeholder tre hovedlag: et n-type lag, hvor elektroner stammer fra; den såkaldte "aktive region", som består af flere kvantebrønde af indiumgalliumnitrid og galliumnitrid; og et lag af p-type, hvor hullerne stammer fra.

For at producere halvledermaterialer til brug i LED'er eller laserdioder bruger forskerne en vækstteknik kaldet "semibulk growth" til at producere indium galliumnitrid skabeloner. Skabelonen er lavet af snesevis af lag af indium galliumnitrid og galliumnitrid. Forskerne bruger disse skabeloner til n-type-regionen for at reducere komplikationer, der opstår med væksten af kvantebrøndene. Indføringen af galliumnitridlaget mellem indiumgalliumnitridlagene i semibulk reducerer defekter på grund af gittermismatchet mellem semibulk-skabelonen og galliumnitridsubstratet, samt udfylder gruberne, der dannes på overfladen.

I deres nye arbejde viste forskerne, at semibulk-væksttilgangen kan bruges til p-type-laget i LED'er for at øge antallet af huller. Denne nye tilgang er omkostningseffektiv fra et produktionssynspunkt, da III-nitrid-baserede LED-enheder kan udføres i én vækst via MOCVD, uden en lang behandlingstid imellem.

Ved hjælp af denne teknik var forskerne i stand til at opnå en huldensitet på 5 × 10¹⁹ cm^-3 i p-type materialet. Tidligere var den højeste hulkoncentration opnået i p-type III-nitridmaterialer ved anvendelse af MOCVD omkring en størrelsesorden lavere.

Forskerne anvendte også disse indium-galliumnitrid-skabeloner som substrater for LED-strukturer for at løse det langvarige problem kaldet "det grønne mellemrum", hvor LED-output forringes, når det udsendes i den grønne og gule del af spektret.

En af hovedårsagerne til det grønne mellemrum er det store gittermisforhold mellem den lysemitterende del af materialet, kvantebrønden, når der anvendes galliumnitridsubstrater. Forskerne har vist, at udskiftning af galliumnitrid-substraterne med indium-galliumnitrid-skabeloner resulterer i forbedret LED-ydeevne.

Forskerne sammenlignede LED-emissionsspektret for den samme kvantebrønd, der udsender i blåt, når det dyrkes på galliumnitridsubstrat og udsender enten i grønt eller gult, når det dyrkes på forskellige indium-galliumnitrid-skabeloner. Et 100 nm skift i emissionsbølgelængden blev opnået på grund af anvendelsen af indiumgalliumnitridskabelonerne.

Papiret om forbedret effektivitet, "P-type ind_xGa_1-xN semibulk skabeloner (0,02 < x < 0,16) med stuetemperatur hulkoncentration på midten af 10¹⁹ cm^-3 og overflademorfologi af enhedskvalitet,” er publiceret i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver. De første to forfattere på papiret er Evyn Routh og Mostafa Abdelhamid, som begge er ph.d. studerende ved NC State. Papiret var medforfatter af Peter Colter, en postdoc-forsker ved NC State; og af Nadia El-Masry fra National Science Foundation og NC State.

Papiret omhandler det grønne hul i lysdioder, "Skifter LED-emission fra blå til det grønne mellemrums spektralområde ved hjælp af In_0.12Ga_0.88N afslappede skabeloner", udgives i Supergitter og mikrostrukturer. De to første forfattere på papiret er Abdelhamid og Routh. Artiklen var medforfatter af Ahmed Shaker, en besøgende videnskabsmand ved NC State fra EinShams University i Egypten.

Original artikelkilde: WRAL TechWire