מדעני NCSU מפתחים תהליך להפיכת לייזרים, נוריות LED יעילים יותר

תאריך פרסום: 26 באוקטובר 2021

מאת מאט שיפמן

חוקרים מאוניברסיטת צפון קרוליינה סטייט פיתחו תהליך חדש שעושה שימוש בטכניקות סטנדרטיות קיימות בתעשייה לייצור חומרים מוליכים למחצה מסוג III-nitrid, אך מביא לחומרים שכבות שיהפכו את נוריות ה-LED והלייזרים ליעילים יותר.

חומרים מוליכים למחצה III-nitrid הם מוליכים למחצה רחבי פס המעניינים במיוחד ביישומים אופטיים ופוטוניים מכיוון שניתן להשתמש בהם ליצירת לייזרים ולדים המייצרים אור בטווח רוחב הפס הנראה לעין. וכאשר מדובר בייצור בקנה מידה גדול, חומרים מוליכים למחצה מסוג III-nitrid המיוצרים בטכניקה הנקראת מתכת כימית אורגנית (MOCVD).

התקני מוליכים למחצה דורשים שני חומרים, "סוג p" ו"סוג n". אלקטרונים נעים מהחומר מסוג n לחומר מסוג p. זה מתאפשר על ידי יצירת חומר מסוג p שיש בו "חורים", או חללים שאלקטרונים יכולים לנוע אליהם.

מדידות אלקטרולומינסנציה של (א) LED כחול על GaN, (ב) LED ירוק על תבנית InGaN, (ג) LED כמעט צהוב על תבנית InGaN. התוספות של איור 1(ב) ואיור 1(ג) מציגות את התמונה של הפליטה בזרם הזרקה של 1.5 mA. תמונה דרך NCSU)

אתגר עבור אנשים שמייצרים נוריות ולייזרים היה שהייתה מגבלה על מספר החורים שאתה יכול לעשות בחומרים מוליכים למחצה מסוג p-type III ניטריד שנוצרו באמצעות MOCVD. אבל הגבול הזה פשוט עלה.

"פיתחנו תהליך שמייצר את הריכוז הגבוה ביותר של חורים בחומר מסוג p בכל מוליך למחצה III-Nitrid המיוצר באמצעות MOCVD", אומר סלאח בדייר, מחבר שותף של מאמר על העבודה ופרופסור מכובד לחשמל ומחשב הנדסה ב-NC State. "זהו חומר באיכות גבוהה - מעט מאוד פגמים - מה שהופך אותו מתאים לשימוש במגוון מכשירים."

מבחינה מעשית, משמעות הדבר היא שיותר מכניסת האנרגיה בנורות LED מומרת לאור. עבור לייזרים, זה אומר שפחות מהקלט האנרגיה יתבזבז כחום על ידי הפחתת ההתנגדות למגע מתכת.

נוריות LED מכילות שלוש שכבות עיקריות: שכבה מסוג n שבה מקורם של אלקטרונים; מה שנקרא "אזור פעיל", המורכב מבארות קוונטיות מרובות של אינדיום גליום ניטריד וגאליום ניטריד; ושכבה מסוג p, שבה מקורם של החורים.

כדי לייצר חומרים מוליכים למחצה לשימוש ב-LED או דיודות לייזר, החוקרים משתמשים בטכניקת גידול הנקראת "גידול בכמות גדולה" לייצור תבניות אינדיום גליום ניטריד. התבנית עשויה מעשרות שכבות של אינדיום גליום ניטריד וגליום ניטריד. החוקרים משתמשים בתבניות אלו לאזור מסוג n כדי להפחית סיבוכים המתעוררים עם צמיחת הבארות הקוונטיות. החדרת שכבת הגליום ניטריד בין שכבות אינדיום גליום ניטריד בחצי תפזורת מפחיתה פגמים עקב חוסר ההתאמה של הסריג בין תבנית הגליום ניטריד לבין מצע הגליום ניטריד, כמו גם מילוי הבורות הנוצרים על פני השטח.

בעבודתם החדשה, החוקרים הדגימו שניתן להשתמש בגישת הגידול בתפזורת למחצה עבור שכבת ה-p ב-LED כדי להגדיל את מספר החורים. גישה חדשה זו היא חסכונית מנקודת מבט ייצור, שכן התקני LED מבוססי III-ניטריד יכולים להיעשות בצמיחה אחת באמצעות MOCVD, ללא זמן עיבוד ממושך ביניהם.

באמצעות טכניקה זו, החוקרים הצליחו להשיג צפיפות חורים של 5 × 10¹⁹ ס"מ^-3 בחומר מסוג p. בעבר, ריכוז החורים הגבוה ביותר שהושג בחומרי ניטריד מסוג p-III באמצעות MOCVD היה נמוך בערך בסדר גודל.

החוקרים יישמו גם תבניות אינדיום גליום ניטריד אלה כמצעים למבני LED כדי לטפל בבעיה המתמשכת המכונה "הפער הירוק", שבו תפוקת LED מתדרדרת בעת פליטת החלק הירוק והצהוב של הספקטרום.

אחת הסיבות העיקריות לפער הירוק היא חוסר ההתאמה של הסריג הגדול בין החלק פולט האור של החומר, הבאר הקוונטית, כאשר משתמשים במצעי גליום ניטריד. החוקרים הוכיחו שהחלפת מצעי הגליום ניטריד בתבניות אינדיום גליום ניטריד מביאה לשיפור בביצועי LED.

החוקרים השוו את ספקטרום פליטת LED עבור אותה באר קוונטית הנפלטת בכחול כאשר גדלה על מצע גליום ניטריד ופולטת בירוק או צהוב כאשר גדלה על תבניות אינדיום גליום ניטריד שונות. שינוי של 100 ננומטר באורך גל הפליטה הושג עקב היישום של תבניות אינדיום גליום ניטריד.

המאמר על יעילות משופרת, "P-type In_איקסגא_1-xN תבניות למחצה (0.02 < x < 0.16) עם ריכוז חור בטמפרטורת החדר של אמצע 10¹⁹ ס"מ^-3 ומורפולוגיה משטח באיכות המכשיר," מתפרסם בכתב העת מכתבי פיזיקה שימושית. שני המחברים הראשונים על המאמר הם Evyn Routh ומוסטפה עבד אלחמיד, שניהם דוקטורט. סטודנטים במדינת NC. המאמר נכתב בשיתוף פיטר קולטר, חוקר פוסט-דוקטורט ב-NC State; ועל ידי נדיה אל-מסרי מהקרן הלאומית למדע ומדינת NC.

הנייר המתייחס לפער הירוק בנורות LED, "העברת פליטת LED מכחול לטווח הספקטרלי של הפער הירוק באמצעות In_0.12גא_0.88N תבניות נינוחות" מתפרסם ב סריגים ומיקרו מבנים. שני המחברים הראשונים בעיתון הם עבד אלחמיד ורוט. המאמר נכתב בשיתוף אחמד שאקר, מדען אורח במדינת NC מאוניברסיטת איינשמס במצרים.

מקור המאמר המקורי: WRAL TechWire