Les scientifiques du NCSU développent un processus pour rendre les lasers et les LED plus efficaces

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par Matt Shipman

Des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord ont développé un nouveau procédé qui utilise les techniques standard existantes de l'industrie pour fabriquer des matériaux semi-conducteurs au nitrure III, mais qui aboutit à des matériaux en couches qui rendront les LED et les lasers plus efficaces.

Les matériaux semi-conducteurs au nitrure III sont des semi-conducteurs à large bande interdite qui présentent un intérêt particulier dans les applications optiques et photoniques, car ils peuvent être utilisés pour créer des lasers et des LED produisant de la lumière dans la plage de bande passante visible. Et lorsqu’il s’agit de fabrication à grande échelle, les matériaux semi-conducteurs au nitrure III sont produits à l’aide d’une technique appelée dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD).

Les dispositifs semi-conducteurs nécessitent deux matériaux, un « type p » et un « type n ». Les électrons se déplacent du matériau de type n vers le matériau de type p. Ceci est rendu possible en créant un matériau de type p doté de « trous » ou d’espaces dans lesquels les électrons peuvent se déplacer.

Mesures d'électroluminescence de (a) LED bleue sur GaN, (b) LED verte sur le modèle InGaN, (c) LED presque jaune sur le modèle InGaN. Les encarts des figures 1 (b) et 1 (c) montrent l'image de l'émission à un courant d'injection de 1, 5 mA. Image via NCSU)

Un défi pour les fabricants de LED et de lasers était qu'il y avait une limite sur le nombre de trous que vous pouvez faire dans les matériaux semi-conducteurs au nitrure de type p III créés à l'aide du MOCVD. Mais cette limite vient d'augmenter.

"Nous avons développé un procédé qui produit la plus forte concentration de trous dans un matériau de type p dans tous les semi-conducteurs III-nitrure fabriqués à l'aide du MOCVD", explique Salah Bedair, co-auteur d'un article sur le travail et professeur distingué d'électricité et d'informatique. ingénierie à NC State. "Et il s'agit d'un matériau de haute qualité - avec très peu de défauts - ce qui le rend adapté à une utilisation dans une variété d'appareils."

Concrètement, cela signifie qu’une plus grande partie de l’énergie apportée par les LED est convertie en lumière. Pour les lasers, cela signifie qu’une moindre quantité d’énergie sera gaspillée sous forme de chaleur en réduisant la résistance de contact du métal.

Les LED contiennent trois couches principales : une couche de type n d'où proviennent les électrons ; la soi-disant « région active », qui consiste en plusieurs puits quantiques de nitrure d’indium et de gallium et de nitrure de gallium ; et une couche de type p, d'où proviennent les trous.

Pour produire des matériaux semi-conducteurs destinés aux LED ou aux diodes laser, les chercheurs utilisent une technique de croissance appelée « croissance semi-volume » pour produire des modèles de nitrure d'indium et de gallium. Le modèle est constitué de dizaines de couches de nitrure d'indium et de gallium et de nitrure de gallium. Les chercheurs utilisent ces modèles pour la région de type n afin de réduire les complications liées à la croissance des puits quantiques. L'insertion de la couche de nitrure de gallium entre les couches de nitrure de gallium d'indium dans le semi-vrac réduit les défauts dus à l'inadéquation du réseau entre le modèle semi-vrac et le substrat de nitrure de gallium, ainsi que le remplissage des piqûres qui se forment à la surface.

Dans leurs nouveaux travaux, les chercheurs ont démontré que l’approche de croissance semi-volume peut être utilisée pour la couche de type p des LED afin d’augmenter le nombre de trous. Cette nouvelle approche est rentable du point de vue de la fabrication, puisque les dispositifs LED à base de nitrure III peuvent être réalisés en une seule croissance via MOCVD, sans un long temps de traitement entre les deux.

Grâce à cette technique, les chercheurs ont pu atteindre une densité de trous de 5 × 1019 cm-3 dans le matériau de type p. Auparavant, la concentration de trous la plus élevée obtenue dans les matériaux de nitrure de type III p utilisant le MOCVD était inférieure d'un ordre de grandeur environ.

Les chercheurs ont également appliqué ces modèles de nitrure d’indium et de gallium comme substrats pour les structures LED afin de résoudre le problème de longue date appelé « espace vert », où le rendement de la LED se détériore lors de l’émission dans la partie verte et jaune du spectre.

L’une des principales raisons de l’écart vert est l’importante discordance de réseau entre la partie émettrice de lumière du matériau, le puits quantique, lorsque des substrats en nitrure de gallium sont utilisés. Les chercheurs ont démontré que le remplacement des substrats en nitrure de gallium par des modèles en nitrure d'indium et de gallium entraîne une amélioration des performances des LED.

Les chercheurs ont comparé le spectre d'émission des LED pour le même puits quantique émettant en bleu lorsqu'il est cultivé sur un substrat de nitrure de gallium et émettant en vert ou en jaune lorsqu'il est cultivé sur différents modèles de nitrure d'indium et de gallium. Un décalage de 100 nm dans la longueur d’onde d’émission a été obtenu grâce à l’application des modèles de nitrure d’indium et de gallium.

Le document sur l’amélioration de l’efficacité, «Entrée de type PXGéorgie1 foisN modèles semi-vrac (0,02 < x < 0,16) avec une concentration de trous à température ambiante de mi-1019 cm-3 et la morphologie de surface de la qualité de l'appareil,» est publié dans la revue Lettres de physique appliquée. Les deux premiers auteurs de l'article sont Evyn Routh et Mostafa Abdelhamid, tous deux titulaires d'un doctorat. étudiants à NC State. L'article a été co-écrit par Peter Colter, chercheur postdoctoral à NC State ; et par Nadia El-Masry de la National Science Foundation et NC State.

Le document traitant du fossé vert dans les LED, «Déplacement de l'émission LED du bleu vers la plage spectrale de l'espace vert à l'aide de In0.12Géorgie0.88N modèles détendus», est publié dans Super-réseaux et microstructures. Les deux premiers auteurs de l'article sont Abdelhamid et Routh. L'article a été co-écrit par Ahmed Shaker, un scientifique invité à NC State de l'Université EinShams en Égypte.

Source originale de l’article : WRAL TechWire