NCSU:n tutkijat kehittävät prosessia lasereiden ja LEDien tehostamiseksi
Julkaisupäivä:Kirjailija: Matt Shipman
North Carolina State Universityn tutkijat ovat kehittäneet uuden prosessin, jossa hyödynnetään olemassa olevia alan standarditekniikoita III-nitridipuolijohdemateriaalien valmistukseen, mutta tuloksena on kerrosmateriaaleja, jotka tekevät LEDistä ja lasereista tehokkaampia.
III-nitridipuolijohdemateriaalit ovat laajakaistaisia puolijohteita, jotka ovat erityisen kiinnostavia optisissa ja fotonisissa sovelluksissa, koska niitä voidaan käyttää lasereiden ja LEDien luomiseen, jotka tuottavat valoa näkyvällä kaistanleveysalueella. Ja kun kyse on laajamittaisesta valmistuksesta, III-nitridipuolijohdemateriaalit valmistetaan käyttämällä tekniikkaa, jota kutsutaan metallin orgaanisen kemiallisen höyrypinnoituksen (MOCVD) avulla.
Puolijohdelaitteet vaativat kaksi materiaalia, "p-tyypin" ja "n-tyypin". Elektronit siirtyvät n-tyypin materiaalista p-tyypin materiaaliin. Tämä on mahdollista luomalla p-tyyppinen materiaali, jossa on "reikiä" tai tiloja, joihin elektronit voivat liikkua.
Elektroluminesenssimittaukset: (a) Sininen LED GaN:ssa, (b) Vihreä LED InGaN-mallissa, (c) Lähes keltainen LED InGaN-mallissa. Kuvan 1(b) ja kuvion 1(c) upotukset esittävät kuvan emissiosta 1,5 mA:n injektiovirralla. Kuva NCSU:n kautta)
Haaste LEDien ja lasereiden valmistajille on ollut se, että MOCVD:llä luotuihin p-tyypin III-nitridipuolijohdemateriaaleihin voidaan tehdä rajallinen määrä. Mutta se raja vain nousi.
"Olemme kehittäneet prosessin, joka tuottaa suurimman pitoisuuden reikiä p-tyyppiseen materiaaliin missä tahansa MOCVD:llä valmistetussa III-Nitride-puolijohteessa", sanoo Salah Bedair, työtä käsittelevän artikkelin toinen kirjoittaja ja arvostettu sähkö- ja tietokoneprofessori. suunnittelu NC osavaltiossa. "Ja tämä on korkealaatuista materiaalia - erittäin vähän vikoja - joten se sopii käytettäväksi useissa laitteissa."
Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että suurempi osa LEDien syöttämästä energiasta muunnetaan valoksi. Lasereille se tarkoittaa, että vähemmän energiaa kuluu lämmönä, koska metallikosketusvastus pienenee.
LEDit sisältävät kolme pääkerrosta: n-tyypin kerroksen, josta elektronit alkavat; niin kutsuttu "aktiivinen alue", joka koostuu useista indiumgalliumnitridin ja galliumnitridin kvanttikuivista; ja p-tyypin kerros, josta reiät alkavat.
Tuottaakseen puolijohdemateriaaleja käytettäväksi LEDeissä tai laserdiodeissa tutkijat käyttävät kasvutekniikkaa, jota kutsutaan "puolibulkkikasvuksi" indiumgalliumnitridimallien tuottamiseksi. Malli on valmistettu kymmenistä kerroksista indiumgalliumnitridiä ja galliumnitridiä. Tutkijat käyttävät näitä malleja n-tyypin alueella vähentääkseen komplikaatioita, joita syntyy kvanttikuivojen kasvusta. Galliumnitridikerroksen lisääminen indiumgalliumnitridikerrosten väliin semibulkkina vähentää vikoja, jotka johtuvat puolibulkkimallin ja galliumnitridisubstraatin välisestä ristikon yhteensopimattomuudesta, sekä täyttää pinnalle muodostuvat kuopat.
Uudessa työssään tutkijat osoittivat, että semibulk-kasvumenetelmää voidaan käyttää p-tyypin kerroksessa LED-valoissa lisäämään reikien määrää. Tämä uusi lähestymistapa on kustannustehokas valmistuksen kannalta, koska III-nitridipohjaiset LED-laitteet voidaan tehdä yhdessä kasvussa MOCVD:n kautta ilman pitkiä käsittelyaikoja.
Tätä tekniikkaa käyttämällä tutkijat onnistuivat saavuttamaan reiän tiheyden 5 × 1019 cm-3 p-tyypin materiaalissa. Aikaisemmin MOCVD:tä käyttävillä p-tyypin III-nitridimateriaaleilla saavutettu korkein reikäpitoisuus oli noin suuruusluokkaa pienempi.
Tutkijat käyttivät myös näitä indiumgalliumnitridimalleja LED-rakenteiden substraatteina ratkaistakseen pitkäaikaisen ongelman, jota kutsutaan "vihreäksi aukoksi", jossa LED-teho heikkenee säteillessä spektrin vihreässä ja keltaisessa osassa.
Yksi tärkeimmistä syistä vihreään aukkoon on suuri hila-epäsopivuus materiaalin valoa emittoivan osan, kvanttikuivon, välillä käytettäessä galliumnitridisubstraatteja. Tutkijat ovat osoittaneet, että galliumnitridisubstraattien korvaaminen indiumgalliumnitridimalleilla parantaa LED-suorituskykyä.
Tutkijat vertasivat LED-emissiospektriä samalle kvanttikuoppalle, joka säteilee sinisenä, kun sitä kasvatettiin galliumnitridialustalla, ja säteilee joko vihreänä tai keltaisena, kun sitä kasvatettiin eri indiumgalliumnitridimallien päällä. Emission aallonpituuden 100 nm:n muutos saavutettiin johtuen indiumgalliumnitriditemplaattien käytöstä.
Paperi tehokkuuden parantamisesta, "P-tyyppinen sisäänxGa1-xN puolimassamallia (0,02 < x < 0,16), joiden huoneenlämpöinen reikäpitoisuus on 10-1019 cm-3 ja laitteen laadun pinnan morfologia,” on julkaistu lehdessä Applied Physics Letters. Kaksi ensimmäistä kirjailijaa paperilla ovat Evyn Routh ja Mostafa Abdelhamid, jotka ovat molemmat tohtorin tohtori. opiskelijat NC Statessa. Paperin on kirjoittanut Peter Colter, tutkijatohtori NC Statesta; ja Nadia El-Masry National Science Foundationista ja NC Statesta.
Paperi, jossa käsitellään LEDien vihreää aukkoa, "LED-säteilyn siirtäminen sinisestä vihreään spektrialueeseen käyttämällä In0.12Ga0.88N rentoa mallia”, on julkaistu vuonna Superhilat ja mikrorakenteet. Kaksi ensimmäistä kirjailijaa ovat Abdelhamid ja Routh. Paperin on kirjoittanut Ahmed Shaker, vieraileva tutkija NC Statessa Egyptin EinShamsin yliopistosta.
Alkuperäinen artikkelin lähde: WRAL TechWire