Добавление бора повысит эффективность светодиодов

Об этом сообщают физики из США в статье, опубликованной в Applied Physics Letters.  

Светодиоды на основе смешанного нитрида галлия и индия (InxGa1-xN) являются источниками света в видимой области и уже сейчас довольно широко применяются в различных устройствах. В основе такого светодиода лежит трехслойная структура, в которой тонкий слой InxGa1-xN зажимается между двумя слоями чистого нитрида галлия GaN и служит для электронов квантовой ямой, по которой они могут перемещаться только в плоскости.

Эффективность преобразования электричества в излучение в таких источниках света достигает почти 40 процентов, но при больших напряжениях такой материал теряет свою эффективность, особенно при излучении в зеленой части спектра. Основной причиной потери эффективности обычно называют Оже-рекомбинацию, при которой электрон из зоны проводимости при рекомбинации с дыркой избыточную энергию не испускает в виде излучения, а передает другому электрону. Для того, чтобы снизить влияние этого эффекта, необходимо уменьшить концентрацию электронов, что можно сделать, например, увеличив ширину квантовой ямы. Добиться этого тяжело из-за небольшого различия в параметрах решетки нитрида галлия и смешанного нитрида галлия и индия. Если напряжения, которые из-за такого несоответствия возникают в тонких слоях довольно небольшие, то при увеличении толщины такие структуры становятся неустойчивыми.

Для того, чтобы решить эту проблему, Логан Уильямс (Logan Williams) и Эммануил Киупакис (Emmanouil Kioupakis) из Университета Мичигана предложили ввести в химическую структуру нитрида атомы бора. Согласно доступным экспериментальным данным, параметр решетки с нитриде галлия составляет 3,181 ангстрема, в нитриде индия — 3,538 ангстрема, а нитриде бора с такой же кристаллической структурой — 2,536 ангстрема. Из-за этого в смешанном нитриде галлия и индия расстояние между атомами больше, чем в чистом нитриде галлия, но если добавить туда нужное количество бора, то его можно довести до нужного размера.

Зависимость ширины запрещенной зоны от химического состава для нитрида галлия с добавлением бора (синяя линия), смешанном нитриде индия и галлия с добавлением бора (красная линия) и смешанном нитриде индия и галлия с той же концентрацией индия, что и во втором случае (черная линия). L. Williams and E. Kioupakis/ Applied Physics Letters, 2017

С помощью численного расчета методом теории функционала плотности ученые определили, как будут меняться параметры кристаллической решетки и ширина запрещенной зоны при добавлении в структуру двух нитридов (GaN и InxGa1-xN) бора.

Оказалось, что если соотношение атомов бора и индия в решетке составляет 2 к 3, то ширина запрещенной зоны остается примерно такой же, что и в смешанном нитриде с такой же концентрацией индия. При этом расхождение в параметрах кристаллической решетки между этим смешанным нитридом бора, индия и галлия и окружающими его слоями чистого нитрида галлия сокращается практически до нуля. При этом интересно, что атомы бора значительно легче встраиваются в решетку смешанного нитрида, содержащего индий, чем в чистый нитрид галлия.

Ученые надеются, что полученные ими данные мотивируют экспериментаторов на получение и исследование нитридов с таким большим содержанием бора, и уже в ближайшее время с помощью этих материалов удастся производить еще более эффективные светодиоды большой мощности.