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立方体GaN:应对绿光能隙问题的解决方案?

      材料来源:CSC化合物半导体

从六方GaN转变为立方体GaN可制成压降减小且效率更高的绿光LED

 

绿光 LED 效率低下的不足之处应归咎于强大的内部电场和较差的材料质量。它们的效率不到同等级别红光和蓝光 LED 的一半。

 

解决这个被称为“绿光能隙”的问题并不容易,但是,根据伊利诺伊大学香槟分校 Yi-Chia Tsai Can Bayram 所做的第一性原理计算,从传统的六方相转变为立方相拥有着广阔的前景。

 

这些计算揭示了立方相相比于六方相所具备的优点,包括较小的带隙、较小的晶格失配和较小的有效质量。

 

Bayram 说:“具体而言,通过立方结构 族氮化物实现的绿光发射,量子阱中所需的铟含量可比六方结构 族氮化物低 5%。”

 

降低铟含量是一项重要的突破,因为这将减少晶格失配、减低缺陷率和改善材料质量。

 

Bayram 说:“鉴于铟掺杂的指数型温度特性,因此铟含量降低 5% 是意义重大的。”他指出,这使得绿光发射量子阱的生长温度升高,从而增长了这些层中合金的均匀性。

 

另外,转向使用立方结构 InGaN 还是改善活性区域设计的关键所在。在传统器件中,量子阱一定不能超过仅几个纳米的厚度。这可确保在电子和空穴之间有足够的重叠(电子和空穴被内部电场拉往不同的方向)。

 

量子阱厚度较薄的不利之处是其在捕获载流子方面效率较低。为解决这一问题,可将多个量子阱相互叠加,但是这么做会由于载流子注入的不对称性而损害器件性能。只有较靠近 p 型区域的量子阱发光,这是因为电子外溢造成的。

 

当采用立方 LED 时,器件不受压电效应的影响,所以没有强电场将电子和空穴分开。这意味着辐射复合效率很高,即使对于增加载流子捕获的厚量子阱也不例外。更重要的是,采用这种形式的 GaN 制作的 LED 所遭受的俄歇复合 (Auger recombination) 较少,因此不太容易产生压降。

 

值得注意的是,伊利诺伊大学香槟分校的这两位研究者绝不是最早对 GaN 及其相关合金的关键特性进行计算的人。在此之前,人们已经做了基于局部密度近似、广义梯度近似、和“G0W0”近似的计算。据 Bayram 表示,所有这些方法的缺点是它们会产生相互矛盾的结果。例如,h InN 的带隙值介于 0.69 eV 1.02 eV 2.0 eV 之间,而普遍接受的实验值则为 0.78 eV

 

Bayram 说:“在工作中,我们运用协作和实验来验证六方结构 族氮化物的研究结论,然后将该理论方法应用于提取立方相参数。”据称,这种统一的方法可在量化富铟 族氮化物的结构和电子特性方面提供较高的准确度。

 

Bayram Tsai 采用了局部密度近似的变种,因为标准版本低估了带隙。他们使用了一种被称为 LDA-1/2 的形式,这种形式考虑了电子的半离子化 (half-ionising),并校正了带隙值。

 

当采用该方法时,研究人员发现:为了在 h 相中实现波长位于 550 nm 的绿光发射,需要一种 In0.322Ga0.678N 的成分;但是对于 c 相,则使用 In0.274Ga0.726N 来实现。

 

现在,研究人员将进行立方相器件的光、电和热特性仿真。

 

 

图:立方氮化物大多是直接带隙。高铝含量区域中的黑虚线标记的是直接-间接跃迁。白虚线是晶格常数等值线。黑实线是共发射体的带隙等值线:红光(1.91 eV、650 nm)、绿光(2.24 eV、550 nm)、蓝光(2.75 eV、450 nm)和 UV(4.43 eV、280 nm)。

 文中插图所含文字的翻译如下:

In 摩尔分数     Ga 摩尔分数     Al 摩尔分数 

 

参考文献

Y. -C. Tsai et al. Sci. Rep. 9 6583 (2019)


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