Gli scienziati della NCSU sviluppano un processo per rendere i laser e i LED più efficienti

Data di pubblicazione: Ottobre 26, 2021

di Matt Shipman

I ricercatori della North Carolina State University hanno sviluppato un nuovo processo che utilizza le tecniche standard del settore esistenti per produrre materiali semiconduttori in nitruro III, ma si traduce in materiali stratificati che renderanno LED e laser più efficienti.

I materiali semiconduttori in nitruro III sono semiconduttori ad ampio gap di banda che sono di particolare interesse per le applicazioni ottiche e fotoniche perché possono essere utilizzati per creare laser e LED che producono luce nell'intervallo di larghezza di banda visibile. E quando si tratta di produzione su larga scala, i materiali semiconduttori in nitruro III sono prodotti utilizzando una tecnica chiamata deposizione chimica da vapore organico metallico (MOCVD).

I dispositivi a semiconduttore richiedono due materiali, un “tipo p” e un “tipo n”. Gli elettroni si spostano dal materiale di tipo n al materiale di tipo p. Ciò è reso possibile dalla creazione di un materiale di tipo p che presenta “buchi” o spazi in cui gli elettroni possono spostarsi.

Misurazioni dell'elettroluminescenza di (a) LED blu su GaN, (b) LED verde su modello InGaN, (c) LED quasi giallo su modello InGaN. Gli inserti di Fig. 1 (b) e Fig. 1 (c) mostrano l'immagine dell'emissione con una corrente di iniezione di 1,5 mA. Immagine tramite NCSU)

Una sfida per chi produce LED e laser è stata che esisteva un limite al numero di fori che è possibile realizzare nei materiali semiconduttori di nitruro di tipo p III creati utilizzando MOCVD. Ma quel limite è appena aumentato.

"Abbiamo sviluppato un processo che produce la più alta concentrazione di buchi nel materiale di tipo p in qualsiasi semiconduttore di nitruro III realizzato utilizzando MOCVD", afferma Salah Bedair, coautore di un articolo sul lavoro e illustre professore di elettricità e informatica. ingegneria presso NC State. "E si tratta di materiale di alta qualità - pochissimi difetti - che lo rendono adatto all'uso in una varietà di dispositivi."

In termini pratici, ciò significa che una parte maggiore dell’energia immessa nei LED viene convertita in luce. Per i laser, ciò significa che una minore quantità di energia verrà sprecata sotto forma di calore riducendo la resistenza del contatto metallico.

I LED contengono tre strati principali: uno strato di tipo n dove hanno origine gli elettroni; la cosiddetta “regione attiva”, che consiste di più pozzi quantici di nitruro di indio e gallio e nitruro di gallio; e uno strato di tipo p, dove hanno origine i buchi.

Per produrre materiali semiconduttori da utilizzare nei LED o nei diodi laser, i ricercatori utilizzano una tecnica di crescita chiamata “crescita semibulk” per produrre modelli di nitruro di indio e gallio. Il modello è costituito da dozzine di strati di nitruro di indio e gallio e nitruro di gallio. I ricercatori utilizzano questi modelli per la regione di tipo n per ridurre le complicazioni che insorgono con la crescita dei pozzi quantistici. L'inserimento dello strato di nitruro di gallio tra gli strati di nitruro di indio e gallio in semibulk riduce i difetti dovuti alla mancata corrispondenza del reticolo tra il modello semibulk e il substrato di nitruro di gallio, oltre a riempire le fosse che si formano sulla superficie.

Nel loro nuovo lavoro, i ricercatori hanno dimostrato che l’approccio della crescita semibulk può essere utilizzato per lo strato di tipo p nei LED per aumentare il numero di fori. Questo nuovo approccio è economicamente vantaggioso dal punto di vista della produzione, poiché i dispositivi LED basati su nitruro III possono essere realizzati in un'unica crescita tramite MOCVD, senza lunghi tempi di elaborazione intermedi.

Usando questa tecnica, i ricercatori sono riusciti a ottenere una densità di fori di 5 × 10¹⁹ cm^-3 nel materiale di tipo p. In precedenza, la concentrazione di lacune più alta ottenuta nei materiali di nitruro di tipo p III utilizzando MOCVD era inferiore di circa un ordine di grandezza.

I ricercatori hanno anche applicato questi modelli di nitruro di indio e gallio come substrati per le strutture LED per affrontare il problema di lunga durata chiamato “gap verde”, in cui l’emissione del LED si deteriora quando emette nella parte verde e gialla dello spettro.

Uno dei motivi principali del gap verde è l’ampio disadattamento reticolare tra la parte del materiale che emette luce, il pozzo quantico, quando vengono utilizzati substrati di nitruro di gallio. I ricercatori hanno dimostrato che la sostituzione dei substrati di nitruro di gallio con modelli di nitruro di indio e gallio comporta un miglioramento delle prestazioni dei LED.

I ricercatori hanno confrontato lo spettro di emissione dei LED per lo stesso pozzo quantico che emette in blu quando coltivato su substrato di nitruro di gallio ed emette in verde o giallo quando coltivato su diversi modelli di nitruro di indio e gallio. Uno spostamento di 100 nm nella lunghezza d'onda di emissione è stato ottenuto grazie all'applicazione dei modelli di nitruro di indio e gallio.

Il documento sul miglioramento dell’efficienza, “Tipo P In_XGa_1-xN modelli semibulk (0,02 < x < 0,16) con concentrazione dei fori a temperatura ambiente pari a metà di 10¹⁹ cm^-3 e la morfologia superficiale della qualità del dispositivo," è pubblicato sulla rivista Lettere di fisica applicata. I primi due autori dell'articolo sono Evyn Routh e Mostafa Abdelhamid, entrambi dottorandi. studenti della NC State. L'articolo è stato scritto da Peter Colter, un ricercatore post-dottorato presso la NC State; e da Nadia El-Masry della National Science Foundation e NC State.

Il documento che affronta il divario verde nei LED, “Spostamento dell'emissione LED dall'intervallo spettrale del gap blu a quello verde utilizzando In_0.12Ga_0.88N modelli rilassati”, è pubblicato in Superreticoli e microstrutture. I primi due autori dell'articolo sono Abdelhamid e Routh. L'articolo è stato scritto in collaborazione con Ahmed Shaker, uno scienziato in visita presso l'NC State dell'Università di EinShams in Egitto.

Fonte articolo originale: WRAL TechWire