NCSU の科学者がレーザーや LED の効率を高めるプロセスを開発

発行日:

マット・シップマン著

ノースカロライナ州立大学の研究者らは、III族窒化物半導体材料を製造するための既存の業界標準技術を利用し、LEDやレーザーの効率を高める層状材料をもたらす新しいプロセスを開発した。

III族窒化物半導体材料はワイドバンドギャップ半導体であり、可視帯域幅範囲の光を生成するレーザーやLEDの作成に使用できるため、光学およびフォトニック用途で特に注目されています。そして、大規模製造に関して言えば、III族窒化物半導体材料は有機金属化学気相成長法（MOCVD）と呼ばれる技術を使用して製造されます。

半導体デバイスには「p型」と「n型」という2つの材料が必要です。電子は、n 型材料から p 型材料に移動します。これは、「ホール」、つまり電子が移動できる空間を持つ p 型材料を作成することによって可能になります。

(a) GaN 上の青色 LED、(b) InGaN テンプレート上の緑色 LED、(c) InGaN テンプレート上のほぼ黄色の LED のエレクトロルミネッセンス測定。図 1(b) と図 1(c) の挿入図は、1.5 mA 注入電流での発光の画像を示しています。 NCSU 経由の画像)

LED やレーザーを製造する人々にとっての課題は、MOCVD を使用して作成される p 型 III 窒化物半導体材料に開けられる穴の数に制限があることでした。しかし、その限界は上がっただけです。

「私たちは、MOCVDを使用して製造されたIII族窒化物半導体のp型材料に最も高い濃度の正孔を生成するプロセスを開発しました」と、この研究に関する論文の共著者であり、電気およびコンピュータの著名な教授であるサラ・ベデア氏は述べています。ノースカロライナ州立大学でエンジニアリングを担当。 「そして、これは高品質の素材であり、欠陥が非常に少ないため、さまざまなデバイスでの使用に適しています。」

実際的には、これは LED に入力されたエネルギーの多くが光に変換されることを意味します。レーザーの場合、金属接触抵抗が減少することで、入力エネルギーが熱として浪費されることが少なくなります。

LED には 3 つの主要な層が含まれています。1 つは電子が発生する n 型層です。いわゆる「活性領域」。窒化インジウムガリウムと窒化ガリウムの多重量子井戸で構成されます。そして、正孔が発生するp型層です。

LEDまたはレーザーダイオードで使用する半導体材料を製造するために、研究者らは「セミバルク成長」と呼ばれる成長技術を使用して窒化インジウムガリウムテンプレートを製造します。テンプレートは、窒化インジウムガリウムと窒化ガリウムの数十の層で構成されています。研究者らは、量子井戸の成長に伴って生じる複雑さを軽減するために、n 型領域にこれらのテンプレートを使用しています。半バルクの窒化インジウムガリウム層の間に窒化ガリウム層を挿入すると、表面に形成されるピットを埋めるだけでなく、半バルクテンプレートと窒化ガリウム基板との間の格子不整合による欠陥が低減される。

研究者らは新しい研究で、セミバルク成長アプローチを LED の p 型層に使用して、ホールの数を増やすことができることを実証しました。この新しいアプローチは、III 族窒化物ベースの LED デバイスを MOCVD による 1 回の成長で行うことができ、間に長い処理時間を必要としないため、製造の観点から見てコスト効果が高くなります。

この技術を使用して、研究者らは 5 × 10 の穴密度を達成することができました。19 cm-3 p型材料で。以前は、MOCVD を使用して p 型 III 窒化物材料で達成された最高の正孔濃度は、約 1 桁低かったです。

研究者らはまた、これらの窒化インジウムガリウムテンプレートをLED構造の基板として適用し、スペクトルの緑と黄色の部分で発光するとLED出力が低下する「グリーンギャップ」と呼ばれる長年の問題に対処した。

グリーン ギャップの主な理由の 1 つは、窒化ガリウム基板が使用される場合、材料の発光部分である量子井戸の間の大きな格子不整合です。研究者らは、窒化ガリウム基板を窒化インジウムガリウムテンプレートに置き換えると LED の性能が向上することを実証しました。

研究者らは、窒化ガリウム基板上で成長させた場合には青色に発光する同じ量子井戸のLED発光スペクトルと、異なる窒化インジウムガリウムテンプレート上に成長させた場合には緑色または黄色に発光するLED発光スペクトルを比較した。窒化インジウムガリウムテンプレートの適用により、発光波長の 100 nm のシフトが達成されました。

効率向上に関する論文「P型入力バツガ1-xN 個のセミバルク テンプレート (0.02 < x < 0.16)、室温でのホール濃度が 10 半ば19 cm-3 デバイス品質の表面形態、』が雑誌に掲載されました 応用物理学レター。この論文の最初の 2 人の著者は、エヴィン・ラウスとモスタファ・アブデルハミドで、二人とも博士号を持っています。ノースカロライナ州立大学の学生。この論文は、ノースカロライナ州立大学博士研究員ピーター・コルター氏の共著です。国立科学財団とノースカロライナ州のナディア・エル・マスリー氏による。

LED のグリーンギャップについて言及した論文、「In を使用して LED 発光を青色から緑色ギャップのスペクトル範囲にシフト0.12ガ0.88N 個のリラックスしたテンプレート』に掲載されています。 超格子と微細構造。この論文の最初の 2 人の著者はアブデルハミドとラウスです。この論文は、エジプトのアインシャムス大学からノースカロライナ州立大学の客員科学者であるアーメド・シェイカー氏の共著者である。

元の記事の出典: WRAL TechWire