Naukowcy z NCSU opracowują proces zwiększania wydajności laserów i diod LED
Data opublikowania:przez Matta Shipmana
Naukowcy z North Carolina State University opracowali nowy proces, który wykorzystuje istniejące standardowe techniki branżowe do wytwarzania materiałów półprzewodnikowych z azotkiem III, ale w efekcie powstają materiały warstwowe, dzięki którym diody LED i lasery będą bardziej wydajne.
Materiały półprzewodnikowe z azotkiem III to półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej, które cieszą się szczególnym zainteresowaniem w zastosowaniach optycznych i fotonicznych, ponieważ można je wykorzystać do tworzenia laserów i diod LED wytwarzających światło w zakresie pasma widzialnego. A jeśli chodzi o produkcję na dużą skalę, materiały półprzewodnikowe z azotku III produkowane są przy użyciu techniki zwanej chemicznym osadzaniem z fazy gazowej metali organicznych (MOCVD).
Urządzenia półprzewodnikowe wymagają dwóch materiałów, „typu p” i „typu n”. Elektrony przemieszczają się z materiału typu n do materiału typu p. Jest to możliwe dzięki stworzeniu materiału typu p, który ma „dziury”, czyli przestrzenie, do których mogą przemieszczać się elektrony.
Pomiary elektroluminescencji (a) niebieskiej diody LED na GaN, (b) zielonej diody LED na szablonie InGaN, (c) prawie żółtej diody LED na szablonie InGaN. Wstawki na rys. 1 (b) i ryc. 1 (c) pokazują obraz emisji przy prądzie wtrysku 1,5 mA. Zdjęcie za pośrednictwem NCSU)
Wyzwaniem dla ludzi produkujących diody LED i lasery było ograniczenie liczby otworów, które można wykonać w materiałach półprzewodnikowych z azotku typu p III tworzonych przy użyciu MOCVD. Ale ten limit właśnie wzrósł.
„Opracowaliśmy proces, który wytwarza najwyższe stężenie dziur w materiale typu p w jakimkolwiek półprzewodniku z azotku III wykonanym przy użyciu MOCVD” – mówi Salah Bedair, współautor artykułu na temat tej pracy i wybitny profesor elektryki i informatyki inżynierii w NC State. „I jest to materiał wysokiej jakości – z bardzo małą liczbą defektów – dzięki czemu nadaje się do stosowania w różnych urządzeniach”.
W praktyce oznacza to, że większa część energii pobieranej przez diody LED jest przekształcana w światło. W przypadku laserów oznacza to, że mniej energii wejściowej zostanie zmarnowane w postaci ciepła w wyniku zmniejszenia rezystancji styku metalu.
Diody LED składają się z trzech głównych warstw: warstwy typu n, z której pochodzą elektrony; tak zwany „obszar aktywny”, który składa się z wielu studni kwantowych azotku indu i galu; oraz warstwę typu p, z której pochodzą dziury.
Aby wyprodukować materiały półprzewodnikowe do zastosowania w diodach LED lub diodach laserowych, badacze stosują technikę wzrostu zwaną „wzrostem półmasowym” w celu wytworzenia szablonów azotku indu i galu. Szablon wykonany jest z kilkudziesięciu warstw azotku indu i galu. Naukowcy wykorzystują te szablony dla regionu typu n, aby ograniczyć komplikacje pojawiające się wraz ze wzrostem studni kwantowych. Wstawienie warstwy azotku galu pomiędzy warstwy azotku indu i galu w materiale półmasowym zmniejsza defekty wynikające z niedopasowania sieci między szablonem półmasowym a podłożem z azotku galu, a także wypełnia wżery tworzące się na powierzchni.
W swojej nowej pracy naukowcy wykazali, że metodę wzrostu półmasowego można zastosować w przypadku warstwy typu p w diodach LED w celu zwiększenia liczby dziur. To nowe podejście jest opłacalne z punktu widzenia produkcji, ponieważ urządzenia LED na bazie azotku III można wytwarzać w jednym wzroście za pomocą MOCVD, bez długiego czasu przetwarzania pomiędzy nimi.
Stosując tę technikę, badaczom udało się osiągnąć gęstość dziur 5 × 1019 cm-3 w materiale typu p. Wcześniej najwyższe stężenie dziur osiągane w materiałach azotkowych typu p III przy użyciu MOCVD było o około rząd wielkości niższe.
Naukowcy zastosowali także szablony azotku indu i galu jako podłoża dla struktur LED, aby rozwiązać długotrwały problem zwany „zieloną luką”, polegający na pogorszeniu się mocy wyjściowej diod LED podczas emisji w zielonej i żółtej części widma.
Jedną z głównych przyczyn zielonej przerwy jest duże niedopasowanie sieci między częścią materiału emitującą światło, czyli studnią kwantową, w przypadku stosowania substratów z azotku galu. Naukowcy wykazali, że zastąpienie podłoży z azotku galu szablonami z azotku indu i galu skutkuje lepszą wydajnością diod LED.
Naukowcy porównali widmo emisji diod LED dla tej samej studni kwantowej emitującej kolor niebieski w przypadku hodowli na podłożu z azotku galu i emitującej kolor zielony lub żółty w przypadku hodowli na różnych matrycach azotku indu i galu. Dzięki zastosowaniu matryc z azotku indu i galu uzyskano przesunięcie długości fali emisji o 100 nm.
Artykuł na temat poprawy efektywności, „Wejście typu PXGa1-xN półmasowych szablonów (0,02 < x < 0,16) z koncentracją dziur w temperaturze pokojowej wynoszącą połowę 1019 cm-3 i morfologia powierzchni jakości urządzenia,” ukazuje się w czasopiśmie Litery fizyki stosowanej. Dwóch pierwszych autorów artykułu to Evyn Routh i Mostafa Abdelhamid, obaj z tytułem doktora. studenci NC State. Współautorem artykułu jest Peter Colter, pracownik naukowy ze stopniem doktora w NC State; oraz Nadię El-Masry z National Science Foundation i stanu NC.
Artykuł dotyczący zielonej luki w diodach LED „Przesunięcie emisji diod LED z zakresu widmowego przerwy niebieskiej na zieloną przerwę za pomocą In0.12Ga0.88N zrelaksowanych szablonów”, ukazuje się w Supersieci i mikrostruktury. Dwóch pierwszych autorów artykułu to Abdelhamid i Routh. Współautorem artykułu jest Ahmed Shaker, naukowiec wizytujący w NC State z Uniwersytetu EinShams w Egipcie.
Oryginalne źródło artykułu: WRALTechWire