NCSU-wetenschappers ontwikkelen processen om lasers en LED's efficiënter te maken
Datum gepubliceerd:door Matt Shipman
Onderzoekers van de North Carolina State University hebben een nieuw proces ontwikkeld dat gebruik maakt van bestaande industriestandaardtechnieken voor het maken van III-nitride halfgeleidermaterialen, maar resulteert in gelaagde materialen die LED's en lasers efficiënter zullen maken.
III-nitride halfgeleidermaterialen zijn halfgeleiders met een grote bandafstand die van bijzonder belang zijn in optische en fotonische toepassingen omdat ze kunnen worden gebruikt om lasers en LED's te creëren die licht produceren in het zichtbare bandbreedtebereik. En als het om grootschalige productie gaat, worden III-nitride halfgeleidermaterialen geproduceerd met behulp van een techniek die Metal Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD) wordt genoemd.
Halfgeleiderapparaten vereisen twee materialen, een ‘p-type’ en een ‘n-type’. Elektronen bewegen van het n-type materiaal naar het p-type materiaal. Dit wordt mogelijk gemaakt door een p-type materiaal te creëren dat ‘gaten’ heeft, of ruimtes waar elektronen naartoe kunnen bewegen.
Elektroluminescentiemetingen van (a) blauwe LED op GaN, (b) groene LED op InGaN-sjabloon, (c) bijna gele LED op InGaN-sjabloon. De inzetstukken van figuur 1(b) en figuur 1(c) tonen het beeld van de emissie bij een injectiestroom van 1,5 mA. Afbeelding via NCSU)
Een uitdaging voor mensen die LED's en lasers maken, was dat er een limiet was aan het aantal gaten dat je kunt maken in p-type III-nitride halfgeleidermaterialen die zijn gemaakt met MOCVD. Maar die limiet ging gewoon omhoog.
“We hebben een proces ontwikkeld dat de hoogste concentratie gaten produceert in p-type materiaal in alle III-Nitride halfgeleiders gemaakt met behulp van MOCVD”, zegt Salah Bedair, co-auteur van een artikel over dit werk en een vooraanstaand professor op het gebied van elektriciteit en computertechnologie. techniek bij NC State. “En dit is materiaal van hoge kwaliteit – zeer weinig gebreken – waardoor het geschikt is voor gebruik in een verscheidenheid aan apparaten.”
Praktisch gezien betekent dit dat een groter deel van de energie-input in LED's wordt omgezet in licht. Voor lasers betekent dit dat minder energie-invoer als warmte wordt verspild door de metalen contactweerstand te verminderen.
LED's bevatten drie hoofdlagen: een n-type laag waar elektronen vandaan komen; het zogenaamde ‘actieve gebied’, dat bestaat uit meerdere kwantumputten van indium-galliumnitride en galliumnitride; en een p-type laag, waar de gaten ontstaan.
Om halfgeleidermaterialen te produceren voor gebruik in LED's of laserdiodes, gebruiken de onderzoekers een groeitechniek genaamd 'semibulkgroei' om indium-galliumnitride-sjablonen te produceren. De sjabloon is gemaakt van tientallen lagen indium-galliumnitride en galliumnitride. De onderzoekers gebruiken deze sjablonen voor het n-type gebied om complicaties die optreden bij de groei van de kwantumputten te verminderen. Het inbrengen van de galliumnitridelaag tussen de indium-galliumnitridelagen in semibulk vermindert defecten als gevolg van de roostermismatch tussen de semibulksjabloon en het galliumnitridesubstraat, en vult de putjes die zich op het oppervlak vormen.
In hun nieuwe werk hebben de onderzoekers aangetoond dat de semibulk-groeibenadering kan worden gebruikt voor de p-type laag in LED's om het aantal gaten te vergroten. Deze nieuwe aanpak is kosteneffectief vanuit productieoogpunt, omdat op III-nitride gebaseerde LED-apparaten in één groei kunnen worden uitgevoerd via MOCVD, zonder een lange verwerkingstijd daartussenin.
Met deze techniek konden de onderzoekers een gatendichtheid van 5 × 10 bereiken19 cm-3 in het p-type materiaal. Voorheen was de hoogste gatconcentratie die werd bereikt in p-type III-nitridematerialen met behulp van MOCVD ongeveer een orde van grootte lager.
De onderzoekers pasten deze indium-galliumnitride-sjablonen ook toe als substraten voor LED-structuren om het langdurige probleem aan te pakken dat de ‘groene kloof’ wordt genoemd, waarbij de LED-opbrengst verslechtert bij emissie in het groene en gele deel van het spectrum.
Een van de belangrijkste redenen voor de groene kloof is de grote mismatch in het rooster tussen het lichtgevende deel van het materiaal, de kwantumbron, wanneer galliumnitridesubstraten worden gebruikt. De onderzoekers hebben aangetoond dat het vervangen van de galliumnitridesubstraten door indium-galliumnitride-sjablonen resulteert in verbeterde LED-prestaties.
De onderzoekers vergeleken het LED-emissiespectrum voor dezelfde kwantumput die blauw uitstraalde wanneer deze op galliumnitridesubstraat werd gekweekt en groen of geel uitstraalde wanneer deze op verschillende indium-galliumnitride-sjablonen werd gekweekt. Een verschuiving van 100 nm in de emissiegolflengte werd bereikt dankzij de toepassing van de indium-galliumnitride-sjablonen.
Het document over verbeterde efficiëntie, “P-type InXGa1xN semibulk-sjablonen (0,02 < x <0,16) met gatconcentratie bij kamertemperatuur van midden 1019 cm-3 en oppervlaktemorfologie van apparaatkwaliteit,’ wordt gepubliceerd in het tijdschrift Brieven over toegepaste natuurkunde. De eerste twee auteurs op het artikel zijn Evyn Routh en Mostafa Abdelhamid, beiden Ph.D. studenten van NC State. Het artikel is co-auteur van Peter Colter, een postdoctoraal onderzoeker bij NC State; en door Nadia El-Masry van de National Science Foundation en NC State.
Het artikel dat de groene kloof in LED’s aanpakt: “Verschuiving van de LED-emissie van blauw naar het groene spectrale bereik met behulp van In0.12Ga0.88N ontspannen sjablonen”, is gepubliceerd in Superroosters en microstructuren. De eerste twee auteurs op het papier zijn Abdelhamid en Routh. Het artikel is co-auteur van Ahmed Shaker, een gastwetenschapper aan NC State van de EinShams Universiteit in Egypte.
Originele artikelbron: WRAL TechWire