Científicos de NCSU desarrollan un proceso para hacer que los láseres y los LED sean más eficientes
Fecha de publicación:por Matt Shipman
Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han desarrollado un nuevo proceso que utiliza técnicas estándar existentes en la industria para fabricar materiales semiconductores de nitruro III, pero da como resultado materiales en capas que harán que los LED y los láseres sean más eficientes.
Los materiales semiconductores de nitruro III son semiconductores de banda prohibida ancha que son de particular interés en aplicaciones ópticas y fotónicas porque pueden usarse para crear láseres y LED que producen luz en el rango de ancho de banda visible. Y cuando se trata de fabricación a gran escala, los materiales semiconductores de nitruro III se producen mediante una técnica llamada deposición química de vapor metal-orgánico (MOCVD).
Los dispositivos semiconductores requieren dos materiales, un "tipo p" y un "tipo n". Los electrones se mueven del material tipo n al material tipo p. Esto es posible mediante la creación de un material tipo p que tiene "agujeros" o espacios por los que pueden moverse los electrones.
Mediciones de electroluminiscencia de (a) LED azul en GaN, (b) LED verde en la plantilla de InGaN, (c) LED casi amarillo en la plantilla de InGaN. Los recuadros de la Fig. 1 (b) y la Fig. 1 (c) muestran la imagen de la emisión con una corriente de inyección de 1,5 mA. Imagen vía NCSU)
Un desafío para las personas que fabrican LED y láseres ha sido que había un límite en la cantidad de agujeros que se pueden hacer en materiales semiconductores de nitruro tipo III que se crean usando MOCVD. Pero ese límite simplemente aumentó.
"Hemos desarrollado un proceso que produce la mayor concentración de agujeros en material tipo p en cualquier semiconductor de nitruro III fabricado con MOCVD", dice Salah Bedair, coautor de un artículo sobre el trabajo y profesor distinguido de electricidad e informática. ingeniería en NC State. "Y este es un material de alta calidad, con muy pocos defectos, lo que lo hace adecuado para su uso en una variedad de dispositivos".
En términos prácticos, esto significa que una mayor parte de la energía aportada por los LED se convierte en luz. Para los láseres, significa que se desperdiciará menos energía en forma de calor al reducir la resistencia de contacto del metal.
Los LED contienen tres capas principales: una capa de tipo n donde se originan los electrones; la llamada “región activa”, que consta de múltiples pozos cuánticos de nitruro de indio y galio y nitruro de galio; y una capa tipo p, donde se originan los agujeros.
Para producir materiales semiconductores para su uso en LED o diodos láser, los investigadores utilizan una técnica de crecimiento llamada "crecimiento semibulk" para producir plantillas de nitruro de indio y galio. La plantilla está hecha de docenas de capas de nitruro de indio y galio y nitruro de galio. Los investigadores utilizan estas plantillas para la región de tipo n para reducir las complicaciones que surgen con el crecimiento de los pozos cuánticos. La inserción de la capa de nitruro de galio entre las capas de nitruro de indio y galio en semibulk reduce los defectos debidos al desajuste de la red entre la plantilla semibulk y el sustrato de nitruro de galio, además de rellenar los hoyos que se forman en la superficie.
En su nuevo trabajo, los investigadores demostraron que el enfoque de crecimiento semimasivo se puede utilizar para que la capa tipo p en los LED aumente el número de agujeros. Este nuevo enfoque es rentable desde el punto de vista de la fabricación, ya que los dispositivos LED basados en nitruro III se pueden fabricar en un solo crecimiento a través de MOCVD, sin un largo tiempo de procesamiento intermedio.
Utilizando esta técnica, los investigadores pudieron lograr una densidad de agujeros de 5 × 1019 cm-3 en el material tipo p. Anteriormente, la concentración de huecos más alta alcanzada en materiales de nitruro tipo III p utilizando MOCVD era aproximadamente un orden de magnitud menor.
Los investigadores también aplicaron estas plantillas de nitruro de indio y galio como sustratos para estructuras de LED para abordar el problema duradero llamado "brecha verde", donde la salida del LED se deteriora cuando emite en la parte verde y amarilla del espectro.
Una de las principales razones de la brecha verde es el gran desajuste de la red entre la parte emisora de luz del material, el pozo cuántico, cuando se utilizan sustratos de nitruro de galio. Los investigadores han demostrado que reemplazar los sustratos de nitruro de galio con plantillas de nitruro de indio y galio da como resultado un mejor rendimiento de los LED.
Los investigadores compararon el espectro de emisión de LED para el mismo pozo cuántico que emite en azul cuando se cultiva en un sustrato de nitruro de galio y que emite en verde o amarillo cuando se cultiva en diferentes plantillas de nitruro de indio y galio. Se logró un cambio de 100 nm en la longitud de onda de emisión debido a la aplicación de plantillas de nitruro de indio y galio.
El documento sobre la mejora de la eficiencia, “Entrada tipo PXGeorgia1xN plantillas semia granel (0,02 < x < 0,16) con una concentración de orificios a temperatura ambiente de mediados de 1019 cm-3 y la morfología de la superficie de la calidad del dispositivo,”se publica en la revista Letras de Física Aplicada. Los dos primeros autores del artículo son Evyn Routh y Mostafa Abdelhamid, ambos Ph.D. estudiantes en NC State. El artículo fue coautor de Peter Colter, investigador postdoctoral de NC State; y por Nadia El-Masry de la Fundación Nacional de Ciencias y NC State.
El documento que aborda la brecha verde en los LED, “Cambiar la emisión del LED del rango espectral del espacio azul al verde usando In0.12Georgia0.88N plantillas relajadas”, se publica en Superredes y microestructuras. Los dos primeros autores del artículo son Abdelhamid y Routh. El artículo fue coautor de Ahmed Shaker, científico visitante en NC State de la Universidad EinShams en Egipto.
Fuente del artículo original: WRAL TechWire