NCSU 科學家開發出使雷射、LED 更有效率的工藝
發布日期：透過馬特希普曼
北卡羅來納州立大學的研究人員開發了一種新工藝，利用現有的行業標準技術來製造 III 族氮化物半導體材料，但所產生的層狀材料將使 LED 和雷射更加高效。
III 氮化物半導體材料是寬帶隙半導體，在光學和光子應用中特別受關注，因為它們可用於製造產生可見頻寬範圍內的光的雷射和 LED。在大規模製造方面，III族氮化物半導體材料是使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術生產的。
半導體裝置需要兩種材料：「p 型」和「n 型」。電子從n型材料移動到p型材料。這是透過創建具有「電洞」或電子可以進入的空間的 p 型材料來實現的。
(a) GaN 上的藍色 LED、(b) InGaN 模板上的綠色 LED、(c) InGaN 模板上的近黃色 LED 的電致發光測量。圖 1(b) 和圖 1(c) 的插圖顯示了 1.5 mA 注入電流下的發射影像。圖片來自 NCSU）
對於製造 LED 和雷射的人來說，一個挑戰是在使用 MOCVD 創建的 p 型 III 氮化物半導體材料中可以製造的孔的數量受到限制。但這個限制剛剛上升。
「我們開發了一種工藝，可以在使用 MOCVD 製造的所有 III 族氮化物半導體中在 p 型材料中產生最高濃度的空穴，」該研究論文的合著者、電氣和計算機傑出教授 Salah Bedair 說道。北卡羅來納州立大學的工程。 “這是高品質的材料 - 很少有缺陷 - 使其適合在各種設備中使用。”
實際上，這意味著 LED 中輸入的更多能量被轉換為光。對於雷射來說，這意味著透過降低金屬接觸電阻，更少的能量輸入會作為熱量被浪費。
LED 包含三個主要層：電子產生的 n 型層；所謂的“主動區”，由氮化銦鎵和氮化鎵的多個量子阱組成；和p型層，電洞起源於此。
為了生產 LED 或雷射二極體的半導體材料，研究人員使用一種稱為「半塊體生長」的生長技術來生產氮化銦鎵模板。模板由數十層氮化銦鎵和氮化鎵製成。研究人員將這些模板用於 n 型區域，以減少量子阱生長時出現的複雜情況。將氮化鎵層插入半塊狀的氮化銦鎵層之間可以減少由於半塊狀模板和氮化鎵基板之間的晶格失配而導致的缺陷，以及填充在表面上形成的凹坑。
在他們的新工作中，研究人員證明半體生長方法可用於 LED 中的 p 型層，以增加孔的數量。從製造角度來看，這種新方法具有成本效益，因為基於 III 族氮化物的 LED 裝置可以透過 MOCVD 一次生長完成，中間無需漫長的處理時間。
利用這項技術，研究人員能夠實現 5 × 10 的孔密度19 公分-3 在p型材料中。先前，使用 MOCVD 在 p 型 III 族氮化物材料中實現的最高電洞濃度大約低了一個數量級。
研究人員也應用這些氮化銦鎵模板作為 LED 結構的基板，以解決被稱為「綠色間隙」的長期問題，即 LED 在發出光譜的綠色和黃色部分時輸出會惡化。
產生綠色間隙的主要原因之一是當使用氮化鎵基板時，材料的發光部分（量子阱）之間存在較大的晶格失配。研究人員已經證明，用氮化銦鎵模板取代氮化鎵基板可以提高 LED 性能。
研究人員比較了相同量子阱在氮化鎵基板上生長時發出藍光以及在不同氮化銦鎵模板上生長時發出綠色或黃色光的 LED 發射光譜。由於氮化銦鎵模板的應用，發射波長實現了 100 nm 的偏移。
關於提高效率的論文，「P型InX嘎1-xN 半塊狀模板 (0.02 < x < 0.16)，室溫孔濃度為 mid-1019 公分-3 和裝置品質表面形貌，」發表在雜誌上 應用物理快報。論文的前兩位作者是 Evyn Routh 和 Mostafa Abdelhamid，他們都是博士。北卡羅來納州立大學的學生。這篇論文的共同作者是北卡羅來納州立大學博士後研究員 Peter Colter；以及美國國家科學基金會和北卡羅來納州的 Nadia El-Masry。
該論文解決了 LED 的綠色差距，“使用 In 將 LED 發射從藍色間隙光譜範圍轉變為綠色間隙光譜範圍0.12嘎0.88N 輕鬆模板，」發表於 超晶格和微結構。論文的前兩位作者是阿卜杜勒哈米德和勞斯。這篇論文的共同作者是埃及艾因沙姆斯大學北卡羅來納州立大學的訪問科學家艾哈邁德·沙克（Ahmed Shaker）。
原文來源： WRAL 技術線