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科学家发现固态光源关键材料的根本局限性
2018-01-30

[据固态电子技术网站2018124日报道国际研究小组首次揭示了限制蓝色发光二极管(LED)的关键材料——氮化铟镓(InGaN)薄膜中的铟(In)含量的核心机制。增加InGaN量子阱中的In含量是将基于III族氮化物的LED的发射光转移到彩色(RGB)器件所必需的绿色,尤其是红色部分的常用方法。新发现回答了长期存在的研究问题:当我们尝试获得高效的基于InGaN的绿色和红色LED时,为什么这种经典方法失败?

尽管绿色LED和激光器域取得了进展,但研究人员还是无法克服薄膜中铟含量低于30%的限制。究其原因,到目前为止还不清楚:是还未找到合适的成长条件,还是无法克服根本性作用?现在德国、波兰和中国的一支国际研究团队已经对这个问题提出了新的看法,并且揭示了造成这一局限的机制。

在该研究中,科学家试图通过在GaN上生长InN的单原子层来将铟含量提高到极限。然而,铟的浓度不受生长条件影响,且从来没有超过25~ 30%,这显然代表了某种根本限制机制。研究人员使用先进的表征方法,如原子分辨透射电子显微镜(TEM)和原位反射高能电子衍射(RHEED)发现,一旦铟含量达到25%左右,InGaN单层中的原子就以规则图案排列—单原子列In与两个Ga原子列交替。综合理论计算表明,原子排序是由一个特定的表面重构引起的:铟原子与四个相邻原子结合,而不是三个。这在铟和氮原子之间产生了更强的键,一方面,它允许材料在生长过程中可以承受更高的温度,并提供更好质量的材料;另一方面,这种排序决定了In含量的上限为25%,这在实际的生长条件下是无法克服的。

“显然,技术上的瓶颈阻碍了所有将发射光从绿色转向黄色和红色。因此,我们迫切需要寻找新的颠覆性途径来克服这些根本限制,例如,在高质量的InGaN基板上生长InGaN薄膜,减少生长层的应变。”德国莱布尼茨晶体生长研究所Tobias Schulz博士说。“排序的发现可能有助于克服InGaN材料的局限性:由于合金的化学组成的波动导致电荷载流子的局域化。在高温下生长具有固定组分的稳定有序InGaN材料可以改善器件的光学性能。”(工业和信息化部电子第一研究所  张慧)

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