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这一工艺为更高效的激光器和LED 铺平了道路

2021/11/4 11:31:23     

北卡罗来纳州立大学团队开发 MOCVD 工艺,可大幅提升 p 型 III 族氮化物材料的空穴浓度。


北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种新工艺,该工艺利用现有的生长技术来做做 III 族氮化物半导体材料,但使用层状材料使 LED 和激光器更高效。

 

 LED 和激光器面临的一个挑战是,MOCVD法生生长III 族氮化物半导体材料时,p型掺杂能够实现的空穴浓度是有限,但该工作提高了这个限制浓度。

 

“我们开发了一种工艺,可以在使用 MOCVD 生长任何 III 族氮化物半导体的 p 型材料中产生最高浓度的空穴,” Salah Bedair 说,他是这项工作论文的合著者,也是NC州立大学电气和计算机工程的杰出教授。 “而且这是一种高质量的材料 -缺陷低 - 适用于各种器件。”

 

实际上,这意味着 LED 中更多的电能被转化为光。对于激光器来说,这意味着通过降低金属欧姆接触电阻,更少的电能被浪费为热量。

 

LED 主要包括三层:产生电子的 n 型层;由多个 InGaN 和 GaN 量子阱形成的“有源区”以及 p 型层。

 

研究人员使用一种称为“半体材料模板”的生长技术来实现 InGaN 模板。该模板由数十层 InGaN 和 GaN 组成。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。在半体材料InGaN 层之间插入 GaN 层不但减少了由于半体材料模板和 GaN 衬底之间的晶格失配而形成的缺陷,同时填充表面上形成的凹坑。

 

在他们的新工作中,研究人员证明了半体材料生长方法可用于 LED 中的 p 型层,以增加空穴密度。从制造的角度来看,这种新方法具有成本效益,因为基于 III 族氮化物的 LED 器件可以通过 MOCVD 在一次生长中完成,而无需长时间的处理。

 

使用这种技术,研究人员能够在 p 型材料中实现高达 5 × 1019 cm-3 的空穴密度,比使用传统生长技术实现的空穴密度高一个数量级。

 

研究人员还将这些 InGaN 模板用作 LED 结构的衬底,以解决“绿色鸿沟”问题,即在绿色和黄色光谱LED 效率大幅下降的问题。

 

当使用氮化镓模板时,产生绿色鸿沟的主要原因之一是较大的晶格失配。研究人员已经证明,用 InGaN 模板代替 GaN 衬底可以提高 LED 性能。

 

研究人员比较了在 GaN模板上生长的蓝光量子阱 LED 发射光谱,以及在不同的氮化铟镓模板上生长时绿光或黄光的 LED 发射光谱,发现InGaN 模板可使发射波长红移 100 nm。

 

上图显示了 (a) GaN 上的蓝光 LED,(b) InGaN 模板上的绿光 LED,(c) InGaN 模板上的近黄光 LED 的电致发光光谱。图 1(b) 和图 1(c) 的插图显示了在 1.5 mA 注入电流下的发射图像。

 

参考资料

'P-type InxGa1-xN semibulk templates (0.02 < x < 0.16) with room temperature hole concentration of mid-1019 cm-3 and device quality surface morphology" is published in the journal Applied Physics Letters.

 

'Shifting LED emission from blue to the green gap spectral range using In0.12Ga0.88N relaxed templates' is published in Superlattices and Microstructures

 

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