NCSU-Wissenschaftler entwickeln Verfahren, um Laser und LEDs effizienter zu machen
Veröffentlichungsdatum:von Matt Shipman
Forscher der North Carolina State University haben ein neues Verfahren entwickelt, das bestehende Industriestandardtechniken zur Herstellung von III-Nitrid-Halbleitermaterialien nutzt, aber zu Schichtmaterialien führt, die LEDs und Laser effizienter machen.
III-Nitrid-Halbleitermaterialien sind Halbleiter mit großer Bandlücke, die für optische und photonische Anwendungen von besonderem Interesse sind, da sie zur Herstellung von Lasern und LEDs verwendet werden können, die Licht im sichtbaren Bandbreitenbereich erzeugen. Und wenn es um die Herstellung in großem Maßstab geht, werden III-Nitrid-Halbleitermaterialien mithilfe einer Technik hergestellt, die als metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) bezeichnet wird.
Halbleiterbauelemente erfordern zwei Materialien, einen „p-Typ“ und einen „n-Typ“. Elektronen bewegen sich vom n-Typ-Material zum p-Typ-Material. Möglich wird dies durch die Schaffung eines p-Typ-Materials, das „Löcher“ oder Räume aufweist, in die sich Elektronen bewegen können.
Elektrolumineszenzmessungen von (a) blauer LED auf GaN, (b) grüner LED auf InGaN-Vorlage, (c) nahezu gelber LED auf InGaN-Vorlage. Die Einschübe in Abb. 1(b) und Abb. 1(c) zeigen das Bild der Emission bei einem Injektionsstrom von 1,5 mA. Bild über NCSU)
Eine Herausforderung für Menschen, die LEDs und Laser herstellen, bestand darin, dass die Anzahl der Löcher, die man in p-Typ-III-Nitrid-Halbleitermaterialien herstellen kann, die mit MOCVD hergestellt werden, begrenzt war. Aber diese Grenze ist einfach gestiegen.
„Wir haben einen Prozess entwickelt, der die höchste Konzentration an Löchern in p-Typ-Material in allen mithilfe von MOCVD hergestellten III-Nitrid-Halbleitern erzeugt“, sagt Salah Bedair, Co-Autor einer Arbeit über die Arbeit und angesehener Professor für Elektrotechnik und Computer Ingenieurwesen an der NC State. „Und es handelt sich um ein hochwertiges Material mit sehr wenigen Mängeln, das sich für den Einsatz in einer Vielzahl von Geräten eignet.“
Konkret bedeutet dies, dass bei LEDs ein größerer Teil der zugeführten Energie in Licht umgewandelt wird. Bei Lasern bedeutet dies, dass durch die Verringerung des Metallkontaktwiderstands weniger Energie als Wärme verschwendet wird.
LEDs bestehen aus drei Hauptschichten: einer n-Typ-Schicht, in der die Elektronen entstehen; der sogenannte „aktive Bereich“, der aus mehreren Quantentöpfen aus Indiumgalliumnitrid und Galliumnitrid besteht; und eine p-Typ-Schicht, in der die Löcher entstehen.
Um Halbleitermaterialien für den Einsatz in LEDs oder Laserdioden herzustellen, verwenden die Forscher eine Wachstumstechnik namens „Semibulk-Wachstum“, um Indium-Galliumnitrid-Templates herzustellen. Die Schablone besteht aus Dutzenden Schichten Indiumgalliumnitrid und Galliumnitrid. Die Forscher nutzen diese Vorlagen für die n-Typ-Region, um Komplikationen zu reduzieren, die beim Wachstum der Quantentöpfe entstehen. Das Einfügen der Galliumnitridschicht zwischen die Indiumgalliumnitridschichten im Semibulk reduziert Defekte aufgrund der Gitterfehlanpassung zwischen der Semibulk-Vorlage und dem Galliumnitridsubstrat und füllt die Vertiefungen, die sich auf der Oberfläche bilden.
In ihrer neuen Arbeit zeigten die Forscher, dass der Semibulk-Wachstumsansatz für die p-Typ-Schicht in LEDs genutzt werden kann, um die Anzahl der Löcher zu erhöhen. Dieser neue Ansatz ist aus fertigungstechnischer Sicht kosteneffektiv, da LED-Bauteile auf III-Nitrid-Basis in einem einzigen Wachstum mittels MOCVD hergestellt werden können, ohne dass dazwischen eine lange Verarbeitungszeit anfällt.
Mit dieser Technik konnten die Forscher eine Lochdichte von 5 × 10 erreichen19 cm-3 im p-Typ-Material. Zuvor war die höchste Lochkonzentration, die in p-Typ-III-Nitridmaterialien mittels MOCVD erreicht wurde, etwa eine Größenordnung niedriger.
Die Forscher verwendeten diese Indiumgalliumnitrid-Template auch als Substrate für LED-Strukturen, um das lang anhaltende Problem der „grünen Lücke“ anzugehen, bei dem sich die LED-Leistung verschlechtert, wenn sie im grünen und gelben Teil des Spektrums emittiert.
Einer der Hauptgründe für die grüne Lücke ist die große Gitterfehlanpassung zwischen dem lichtemittierenden Teil des Materials, dem Quantentopf, wenn Galliumnitrid-Substrate verwendet werden. Die Forscher haben gezeigt, dass der Ersatz der Galliumnitrid-Substrate durch Indium-Galliumnitrid-Vorlagen zu einer verbesserten LED-Leistung führt.
Die Forscher verglichen das LED-Emissionsspektrum für denselben Quantentopf, der blau emittiert, wenn er auf einem Galliumnitrid-Substrat wächst, und entweder grün oder gelb emittiert, wenn er auf verschiedenen Indium-Galliumnitrid-Vorlagen wächst. Durch die Anwendung der Indium-Galliumnitrid-Template wurde eine Verschiebung der Emissionswellenlänge um 100 nm erreicht.
Das Papier zur verbesserten Effizienz: „P-Typ-EingangXGa1-xN Semibulk-Templates (0,02 < x < 0,16) mit einer Lochkonzentration bei Raumtemperatur von Mitte 1019 cm-3 und Oberflächenmorphologie der Gerätequalität,“ wird in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur Angewandten Physik. Die ersten beiden Autoren des Artikels sind Evyn Routh und Mostafa Abdelhamid, die beide promoviert haben. Studenten an der NC State. Der Artikel wurde von Peter Colter, einem Postdoktoranden an der NC State, mitverfasst; und von Nadia El-Masry von der National Science Foundation und NC State.
Das Papier befasst sich mit der grünen Lücke bei LEDs: „Verschieben der LED-Emission vom blauen zum grünen Gap-Spektralbereich mithilfe von In0.12Ga0.88N entspannte Vorlagen”, ist veröffentlicht in Übergitter und Mikrostrukturen. Die ersten beiden Autoren des Artikels sind Abdelhamid und Routh. Der Artikel wurde von Ahmed Shaker, einem Gastwissenschaftler am NC State der EinShams-Universität in Ägypten, mitverfasst.
Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire