NCSU-forskare utvecklar processer för att göra lasrar, lysdioder mer effektiva

Publiceringsdatum: 26 oktober 2021

av Matt Shipman

Forskare från North Carolina State University har utvecklat en ny process som använder befintliga industristandardtekniker för att tillverka III-nitrid-halvledarmaterial, men som resulterar i skiktade material som kommer att göra lysdioder och lasrar mer effektiva.

III-nitrid-halvledarmaterial är halvledare med breda bandgap som är av särskilt intresse för optiska och fotoniska tillämpningar eftersom de kan användas för att skapa lasrar och lysdioder som producerar ljus inom det synliga bandbreddsområdet. Och när det kommer till storskalig tillverkning, III-nitrid-halvledarmaterial producerade med en teknik som kallas metallorganisk kemisk ångavsättning (MOCVD).

Halvledarenheter kräver två material, en "p-typ" och en "n-typ." Elektroner rör sig från n-typ till materialet p-typ. Detta görs möjligt genom att skapa ett material av p-typ som har "hål" eller utrymmen som elektroner kan röra sig in i.

Elektroluminescensmätningar av (a) Blå LED på GaN, (b) Grön LED på InGaN mall, (c) Nära gul LED på InGaN mall. Insättningarna i Fig. 1(b) och Fig. 1(c) visar bilden av emissionen vid 1,5 mA injektionsström. Bild via NCSU)

En utmaning för människor som tillverkar lysdioder och lasrar har varit att det fanns en gräns för antalet hål som man kan göra i p-typ III-nitrid-halvledarmaterial som skapas med MOCVD. Men den gränsen gick bara upp.

"Vi har utvecklat en process som producerar den högsta koncentrationen av hål i material av p-typ i alla III-Nitrid-halvledare gjorda med MOCVD," säger Salah Bedair, medförfattare till en artikel om arbetet och en framstående professor i elektriska och datorer. ingenjör vid NC State. "Och detta är material av hög kvalitet - väldigt få defekter - vilket gör det lämpligt för användning i en mängd olika enheter."

Rent praktiskt innebär detta att mer av energiinmatningen i lysdioder omvandlas till ljus. För lasrar betyder det att mindre av energitillförseln kommer att slösas bort som värme genom att minska metallkontaktmotståndet.

Lysdioder innehåller tre huvudlager: ett lager av n-typ där elektronerna kommer från; den så kallade "aktiva regionen", som består av flera kvantbrunnar av indiumgalliumnitrid och galliumnitrid; och ett lager av p-typ, där hålen kommer från.

För att producera halvledarmaterial för användning i lysdioder eller laserdioder använder forskarna en tillväxtteknik som kallas "semibulk growth" för att producera indiumgalliumnitridmallar. Mallen är gjord av dussintals lager av indiumgalliumnitrid och galliumnitrid. Forskarna använder dessa mallar för regionen av n-typ för att minska komplikationer som uppstår med tillväxten av kvantbrunnarna. Införandet av galliumnitridskiktet mellan indiumgalliumnitridskikten i semibulk minskar defekter på grund av gallermissanpassningen mellan semibulkmallen och galliumnitridsubstratet, samt fyller ut groparna som bildas på ytan.

I sitt nya arbete visade forskarna att semibulk-tillväxtmetoden kan användas för p-typskiktet i lysdioder för att öka antalet hål. Detta nya tillvägagångssätt är kostnadseffektivt ur tillverkningssynpunkt, eftersom III-nitridbaserade LED-enheter kan göras i en tillväxt via MOCVD, utan en lång processtid däremellan.

Med denna teknik kunde forskarna uppnå en håltäthet på 5 × 10¹⁹ centimeter^-3 i materialet av p-typ. Tidigare var den högsta hålkoncentrationen som uppnåddes i p-typ III-nitridmaterial med användning av MOCVD ungefär en storleksordning lägre.

Forskarna använde också dessa indiumgalliumnitridmallar som substrat för LED-strukturer för att ta itu med det långvariga problemet som kallas det "gröna gapet", där LED-utgången försämras när den avges i den gröna och gula delen av spektrumet.

En av huvudorsakerna till det gröna gapet är den stora gallermissanpassningen mellan den ljusemitterande delen av materialet, kvantbrunnen, när galliumnitridsubstrat används. Forskarna har visat att ersättning av galliumnitridsubstrat med indiumgalliumnitridmallar resulterar i förbättrade LED-prestanda.

Forskarna jämförde LED-emissionsspektrumet för samma kvantbrunn som avger blått när det odlas på galliumnitridsubstrat och avger antingen grönt eller gult när det odlas på olika indiumgalliumnitridmallar. En förskjutning på 100 nm i emissionsvåglängden uppnåddes på grund av appliceringen av indiumgalliumnitridmallarna.

Uppsatsen om förbättrad effektivitet, "P-typ in_xGa_1-xN semibulk-mallar (0,02 < x < 0,16) med hålkoncentration i rumstemperatur på mitten av 10¹⁹ centimeter^-3 och ytmorfologi av enhetskvalitet,” publiceras i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik. De två första författarna på tidningen är Evyn Routh och Mostafa Abdelhamid, som båda är Ph.D. studenter vid NC State. Uppsatsen var medförfattare av Peter Colter, en postdoktor vid NC State; och av Nadia El-Masry från National Science Foundation och NC State.

Papperet som tar upp det gröna gapet i lysdioder, "Skiftar LED-emission från blått till det gröna gapet spektralområde med In_0.12Ga_0.88N avslappnade mallar", publiceras i Supergitter och mikrostrukturer. De två första författarna på tidningen är Abdelhamid och Routh. Uppsatsen var medförfattare av Ahmed Shaker, en gästforskare vid NC State från EinShams University i Egypten.

Ursprunglig artikelkälla: WRAL TechWire