NCSU 과학자들은 레이저, LED를 보다 효율적으로 만드는 프로세스를 개발합니다.

2021년 10월 26일

맷 쉽먼

노스 캐롤라이나 주립 대학의 연구원들은 III-질화물 반도체 재료를 만들기 위해 기존 산업 표준 기술을 활용하지만 LED와 레이저를 보다 효율적으로 만드는 층상 재료를 만드는 새로운 공정을 개발했습니다.

III-질화물 반도체 재료는 가시 대역폭 범위에서 빛을 생성하는 레이저 및 LED를 만드는 데 사용할 수 있기 때문에 광학 및 광자 응용 분야에서 특히 관심을 끄는 넓은 밴드갭 반도체입니다. 그리고 대규모 제조의 경우 MOCVD(금속 유기 화학 기상 증착)라는 기술을 사용하여 III-질화물 반도체 재료를 생산합니다.

반도체 장치에는 "p형"과 "n형"이라는 두 가지 재료가 필요합니다. 전자는 n형 물질에서 p형 물질로 이동합니다. 이는 "정공", 즉 전자가 이동할 수 있는 공간이 있는 p형 재료를 생성함으로써 가능해졌습니다.

(a) GaN의 파란색 LED, (b) InGaN 템플릿의 녹색 LED, (c) InGaN 템플릿의 거의 노란색 LED의 전자발광 측정입니다. 그림 1(b)와 그림 1(c)의 삽입 그림은 1.5mA 주입 전류에서의 방출 이미지를 보여줍니다. NCSU를 통한 이미지)

LED와 레이저를 만드는 사람들의 과제는 MOCVD를 사용하여 생성된 p형 III 질화물 반도체 재료에서 만들 수 있는 구멍의 수에 제한이 있다는 것입니다. 그런데 그 한도가 늘었어요.

"우리는 MOCVD를 사용하여 만든 모든 III-질화물 반도체에서 p형 재료에 가장 높은 농도의 정공을 생성하는 프로세스를 개발했습니다."라고 해당 연구의 공동 저자이자 전기 및 컴퓨터 분야의 저명한 교수인 Salah Bedair는 말합니다. NC State의 엔지니어링. "이 소재는 결함이 거의 없어 다양한 장치에 사용하기에 적합한 고품질 소재입니다."

실제로 이는 LED에 입력되는 에너지 중 더 많은 부분이 빛으로 변환된다는 의미입니다. 레이저의 경우 이는 금속 접촉 저항을 줄임으로써 입력된 에너지 중 열로 낭비되는 에너지가 줄어든다는 것을 의미합니다.

LED에는 세 가지 주요 층이 있습니다. 전자가 발생하는 n형 층; 인듐 갈륨 질화물과 갈륨 질화물의 다중 양자 우물로 구성된 소위 "활성 영역"; 홀이 발생하는 p형 층.

LED 또는 레이저 다이오드에 사용할 반도체 재료를 생산하기 위해 연구원들은 "반벌크 성장"이라는 성장 기술을 사용하여 인듐 갈륨 질화물 템플릿을 생산합니다. 템플릿은 인듐 갈륨 질화물과 갈륨 질화물로 이루어진 수십 개의 층으로 구성됩니다. 연구원들은 양자 우물의 성장으로 발생하는 합병증을 줄이기 위해 n형 영역에 이러한 템플릿을 사용합니다. 세미벌크의 인듐갈륨 질화물층 사이에 질화갈륨층을 삽입하면 세미벌크 템플릿과 질화갈륨 기판 사이의 격자 불일치로 인한 결함을 줄이고 표면에 형성되는 피트를 채울 수 있습니다.

연구진은 새로운 연구에서 홀 수를 늘리기 위해 LED의 p형 층에 반벌크 성장 접근법을 사용할 수 있음을 입증했습니다. 이 새로운 접근 방식은 III-질화물 기반 LED 장치가 중간에 긴 처리 시간 없이 MOCVD를 통해 한 번의 성장으로 완료될 수 있기 때문에 제조 관점에서 비용 효율적입니다.

이 기술을 사용하여 연구원들은 5 x 10 의 구멍 밀도를 달성할 수 있었습니다.¹⁹ 센티미터^-3 p형 물질에서 이전에는 MOCVD를 사용하여 p형 III 질화물 재료에서 달성된 최고 정공 농도가 약 10배 더 낮았습니다.

연구원들은 또한 이러한 인듐 갈륨 질화물 템플릿을 LED 구조용 기판으로 적용하여 스펙트럼의 녹색 및 노란색 부분에서 방출할 때 LED 출력이 저하되는 "녹색 갭"이라는 오래 지속되는 문제를 해결했습니다.

그린 갭이 발생하는 주요 원인 중 하나는 질화갈륨 기판을 사용할 때 물질의 발광 부분인 양자 우물 사이의 격자 불일치가 크기 때문입니다. 연구원들은 갈륨 질화물 기판을 인듐 갈륨 질화물 템플릿으로 교체하면 LED 성능이 향상된다는 것을 입증했습니다.

연구원들은 갈륨 질화물 기판에서 성장할 때 파란색으로 방출하고 다른 인듐 갈륨 질화물 템플릿에서 성장할 때 녹색 또는 노란색으로 방출하는 동일한 양자 우물에 대한 LED 방출 스펙트럼을 비교했습니다. 인듐 갈륨 질화물 템플릿의 적용으로 인해 방출 파장의 100 nm 이동이 달성되었습니다.

효율성 향상에 관한 논문, “P형 입력_엑스가_1-x실온 홀 농도가 10 중반인 N 세미벌크 템플릿(0.02 < x < 0.16)¹⁹ 센티미터^-3 장치 품질 표면 형태,"라는 글이 저널에 실렸습니다. 응용 물리학 편지. 논문의 처음 두 저자는 Evyn Routh와 Mostafa Abdelhamid이며, 둘 다 박사 학위입니다. NC 주립대 학생들. 이 논문은 NC State의 박사후 연구원인 Peter Colter가 공동 집필했습니다. 국립과학재단(National Science Foundation)과 노스캐롤라이나주(NC State)의 Nadia El-Masry가 작성했습니다.

LED의 녹색 격차를 다루는 논문, “In을 사용하여 LED 방출을 파란색에서 녹색 갭 스펙트럼 범위로 이동_0.12가_0.88N개의 편안한 템플릿,”에 게재됩니다. 초격자와 미세구조. 이 논문의 처음 두 저자는 Abdelhamid와 Routh입니다. 이 논문은 이집트 EinShams University의 NC State 방문 과학자인 Ahmed Shaker가 공동 집필했습니다.

원본 기사 출처: WRAL TechWire