Ученые учатся, что при производстве твердотельных осветительных приборов кислород также играет обоюдоострую роль. Хотя кислород может снизить эффективность нитрида галлия (GaN), обеспечивающего светодиоды, в некоторых случаях требуется небольшое количество кислорода для улучшения оптических свойств устройств. GaN, легированный европием (Eu), который может обеспечивать красный цвет светодиодов и других дисплеев, является одним из таких случаев.На прошлой неделе международная группа исследователей пролила свет на это кажущееся противоречие и сообщила, что количество и расположение кислорода в GaN можно точно настроить, чтобы улучшить оптические характеристики устройств на основе GaN, легированных Eu.
В группу входят исследователи из Лихай, Университета Осаки в Японии, Высшего технологического института в Португалии, Университета Маунт-Юнион в Огайо и Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси.В статье в журнале Nature Scientific Reports группа сообщила, что небольшие количества кислорода способствуют равномерному включению Eu в кристаллическую решетку GaN. Группа также продемонстрировала метод равномерного включения Eu, который использует только те уровни кислорода, которые в любом случае неизбежно присутствуют в GaN. Eu, редкоземельный (RE) элемент, добавляется к GaN в качестве «легирующей примеси», чтобы обеспечить высокоэффективное излучение красного цвета, что по-прежнему является проблемой для оптоэлектронных устройств на основе GaN.
«Способность устройств излучать свет зависит от относительной однородности включения Eu», — сказал Фолькмар Диерольф, профессор и заведующий кафедрой физики Лихая.«Некоторые детали, например, почему кислород необходим для включения Eu, все еще неясны, — сказал Дьерольф, — но мы определили, что необходимое количество составляет примерно 2 процента от количества ионов Eu. На каждые 100 ионов Eu вы нужны два атома кислорода, чтобы облегчить включение Eu в GaN.«Если кислорода нет, Eu скапливается и не включается.
Когда кислород присутствует на уровне около 2 процентов, происходит кислородная пассивация, позволяющая Eu встраиваться в GaN без кластеризации».Статья называется «Использование собственного кислорода в GaN, легированном Eu (RE), для обеспечения совместимости устройств в оптоэлектронных приложениях». Ведущий автор, Брэндон Митчелл, получил докторскую степень. из Лихай в 2014 году и сейчас является доцентом физики и астрономии в Университете Маунт-Юнион и приглашенным профессором в Университете Осаки.
Соавторы статьи: Дьерольф; Ясуфуми Фудзивара, профессор материаловедения в Университете Осаки; и Джонатан Д. Поплавски, научный сотрудник Окриджской национальной лаборатории, получивший степень доктора философии. из Лихай в 2012 году.Комплексное исследованиеНитрид галлия, твердый и прочный полупроводник, ценится в твердотельном освещении, потому что он излучает свет в видимом спектре и потому, что его широкая запрещенная зона делает электронные устройства на основе GaN более мощными и энергоэффективными, чем устройства из кремния и других полупроводников.
Неблагоприятное влияние кислорода на свойства GaN много обсуждалось в научной литературе, писали исследователи в Scientific Reports, но влияние кислорода на примеси RE в GaN и взаимодействие с ними изучено не так хорошо.«Присутствие кислорода в GaN», — написала группа в своей статье, опубликованной в Интернете 4 января, — «… обычно обсуждается с чисто отрицательной коннотацией, когда не рассматриваются возможные положительные аспекты его влияния.«Для постоянной оптимизации этого материала необходимо изучить положительную и отрицательную роль критических дефектов, таких как кислород».
Группа использовала несколько методов визуализации, в том числе резерфордовское обратное рассеяние, атомно-зондовую томографию и спектроскопию комбинированного возбуждения и эмиссии, чтобы получить представление о диффузии и локальных концентрациях кислорода и Eu в кристаллической решетке GaN на атомном уровне.Его исследование, как писала группа, представляет собой «первое всестороннее исследование критической роли кислорода в отношении Eu в GaN».
Группа решила поэкспериментировать с GaN, легированным Eu (GaN: Eu), сказал Дьерольф, потому что европий излучает яркий свет в красной части электромагнитного спектра, что является многообещающим качеством, учитывая трудности, с которыми столкнулись ученые при реализации красного светодиодного света.Группа заявила, что ее результаты «убедительно показывают, что для отдельных слоев GaN: Eu требуются значительные концентрации кислорода для обеспечения равномерного включения Eu и благоприятных оптических свойств.«Однако для обеспечения высокой производительности и надежности устройств на основе GaN минимизация содержания кислорода имеет важное значение. Ясно, что эти два требования несовместимы».
Группа сообщила, что предварительные светодиодные устройства, содержащие один активный 300-нанометровый слой GaN: Eu, были продемонстрированы в последние годы, но еще не достигли коммерческой жизнеспособности, отчасти из-за несовместимости кислорода с GaN.Чтобы преодолеть это препятствие, сказал Дьерольф, исследователи решили, что вместо выращивания одного толстого однородного слоя GaN: Eu они будут выращивать несколько более тонких слоев чередующихся легированных и нелегированных областей.
В этом подходе, как они обнаружили, используется относительно небольшое количество кислорода, который естественным образом присутствует в GaN, выращенном с помощью органо-металлической эпитаксии из паровой фазы (OMVPE), обычного метода получения GaN.«Вместо того, чтобы выращивать толстый слой GaN, легированного Eu, — сказал Дьерольф, — мы выращивали слой, в котором чередовались легированные и нелегированные области. За счет диффузии иона европия кислород из нелегированных областей использовался для включения Eu в GaN. Затем европий распространился в нелегированные области ».
Чтобы определить оптимальное количество кислорода, необходимое для предотвращения несовместимости кислород-GaN, исследователи также провели эксперименты на GaN, выращенном с использованием «прекурсора» Eu, содержащего кислород, и на GaN, специально легированном кислородом, разбавленным аргоном.Они обнаружили, что GaN, выращенный методом OMVPE, содержал значительно меньше кислорода, чем другие образцы.«Концентрация этого кислорода [в GaN, выращенном OMVPE] более чем на два порядка ниже, чем те [концентрации], обнаруженные в образцах, выращенных с кислородсодержащим прекурсором Eu …», — написала группа, «что материал, совместимый с современными устройствами на основе GaN.«Мы продемонстрировали, что концентрация кислорода в материалах GaN: Eu может быть снижена до уровня, совместимого с устройством.
Периодическая оптимизация соотношения концентраций между обычным кислородом, обнаруженным в GaN, и ионами Eu привела к равномерному включению Eu без ущерба для эмиссии интенсивность.«Эти результаты, по-видимому, совпадают с наблюдениями в других материалах GaN, легированных РЗИ. Принятие методов, обсуждаемых в этой статье, может иметь глубокое влияние на будущую оптимизацию этих систем, а также GaN: Eu».
Группа планирует затем вырастить структуры с квантовыми ямами из GaN и определить, позволяют ли они Eu еще более эффективно и эффективно встраиваться в GaN. С этой целью Дьерольф и Нельсон Тансу, профессор электротехники и компьютерной инженерии и директор Центра фотоники и наноэлектроники Лихая, получили грант от Lehigh на возможность совместных исследований (CORE).