NCSU 科学家开发出使激光器、LED 更高效的工艺
发布日期：作者：Matt Shipman
北卡罗来纳州立大学的研究人员开发出一种新工艺，该工艺利用现有的行业标准技术来制造 III 族氮化物半导体材料，但生成的层状材料将使 LED 和激光器更加高效。
III 族氮化物半导体材料是宽带隙半导体，在光学和光子应用中特别受关注，因为它们可用于制造产生可见光带宽范围内光的激光器和 LED。在大规模制造方面，III 族氮化物半导体材料采用一种称为金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 的技术生产。
半导体器件需要两种材料，即“p 型”和“n 型”。电子从 n 型材料移动到 p 型材料。这可以通过创建具有“空穴”或电子可以进入的空间的 p 型材料来实现。
（a）GaN 上的蓝色 LED、（b）InGaN 模板上的绿色 LED、（c）InGaN 模板上的近黄色 LED 的电致发光测量。图 1(b) 和图 1(c) 的插图显示了 1.5 mA 注入电流下的发射图像。图片来自 NCSU)
对于制造 LED 和激光器的人来说，一个挑战是，使用 MOCVD 生成的 p 型 III 氮化物半导体材料中可以制造的孔的数量是有限的。但这个限制刚刚有所增加。
“我们开发了一种工艺，可以在使用 MOCVD 制造的任何 III 族氮化物半导体中产生最高浓度的 p 型材料空穴，”该论文的合著者、北卡罗来纳州立大学电气和计算机工程杰出教授 Salah Bedair 说道。“而且这是高质量的材料 - 缺陷很少 - 适合用于各种设备。”
从实际角度来说，这意味着 LED 中更多的能量输入被转换成光。对于激光器而言，这意味着通过降低金属接触电阻，更少的能量输入将以热量的形式浪费掉。
LED 包含三个主要层：n 型层，电子起源于此；所谓的“有源区”，由氮化铟镓和氮化镓的多个量子阱组成；以及 p 型层，空穴起源于此。
为了生产用于 LED 或激光二极管的半导体材料，研究人员使用一种称为“半块生长”的生长技术来生产氮化铟镓模板。该模板由数十层氮化铟镓和氮化镓制成。研究人员将这些模板用于 n 型区域，以减少量子阱生长过程中出现的复杂性。在半块体中将氮化镓层插入氮化铟镓层之间可减少由于半块体模板和氮化镓基板之间的晶格失配而导致的缺陷，并填充表面上形成的凹坑。
在他们的新研究中，研究人员证明了半块体生长方法可用于 LED 中的 p 型层，以增加孔的数量。从制造的角度来看，这种新方法具有成本效益，因为 III 族氮化物基 LED 器件可以通过 MOCVD 一次性生长完成，中间不需要漫长的处理时间。
利用这种技术，研究人员能够实现 5×1019 厘米-3 在 p 型材料中。此前，使用 MOCVD 在 p 型 III 氮化物材料中实现的最高空穴浓度大约低一个数量级。
研究人员还将这些氮化铟镓模板用作 LED 结构的基板，以解决长期存在的被称为“绿色间隙”的问题，即 LED 在光谱的绿色和黄色部分发射时输出会变差。
造成绿色间隙的主要原因之一是使用氮化镓衬底时，材料的发光部分（量子阱）之间存在较大的晶格失配。研究人员已经证明，用氮化铟镓模板代替氮化镓衬底可以提高 LED 的性能。
研究人员比较了相同量子阱在氮化镓衬底上生长时发出蓝光的 LED 发射光谱，以及在不同氮化铟镓模板上生长时发出绿光或黄光的 LED 发射光谱。由于应用了氮化铟镓模板，发射波长发生了 100 nm 的偏移。
关于提高效率的论文，“P型输入X嘎1-xN 半本体模板 (0.02 < x < 0.16)，室温下空穴浓度为 10 的中间值19 厘米-3 和器件质量表面形貌，”发表在杂志上 应用物理快报。该论文的前两位作者是 Evyn Routh 和 Mostafa Abdelhamid，他们都是北卡罗来纳州立大学的博士生。该论文的共同作者是北卡罗来纳州立大学的博士后研究员 Peter Colter 以及美国国家科学基金会和北卡罗来纳州立大学的 Nadia El-Masry。
这篇论文探讨了 LED 中的绿色差距，“使用 In 将 LED 发射从蓝色间隙光谱范围转移到绿色间隙光谱范围0.12嘎0.88N 个宽松模板”，发表于 超晶格和微结构。论文的前两位作者分别是Abdelhamid和Routh。论文的共同作者是来自埃及艾因沙姆斯大学的北卡罗来纳州立大学客座科学家Ahmed Shaker。
原文来源： WRAL 技术线