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绿光LED新材料能解决“绿色鸿沟”难题

导读: 英国剑桥大学(University of Cambridge)与2家半导体公司日前合作利用立方氮化镓(cubic GaN;或称3C GaN)材料,做为绿光LED发光材料,希望能解决绿光部分材料因转换效率不佳而出现的绿色鸿沟(greengap)问题。

   英国剑桥大学(University of Cambridge)与2家半导体公司日前合作利用立方氮化镓(cubic GaN;或称3C GaN)材料,做为绿光LED发光材料,希望能解决绿光部分材料因转换效率不佳而出现的绿色鸿沟(greengap)问题。

  Electronics Weekly网站报导,这次合作一共结合剑桥大学、Plessey Semi半导体公司与Anvil Semi等2家半导体公司。

  据Plessey经理DaveWallis所言,传统6边GaN,电场会出现在结晶c面(c-plane)上,虽有利于制造晶体管,但在制造LED时则会将形成光子的电子与电洞分开,因而形成所谓史坦克效应(Quantum Confine Stark Effect)。而且一旦铟(indium)的量增加时,该效应便会加剧,但由于增加铟的机制是为了拉长GaN LED波长,换句话说,该效应已成为绿光GaN LED有效发射光子的主要障碍。

  不过,Wallis指出,若改采立方GaN由于其对称性会改变,电场也会消失,让该效应便无法继续阻碍制造光子。该效应是否是造成绿色鸿沟唯一元凶目前没有定论,但采用立方GaN的绿光LED其内部与外部量子效率较佳,每单位电子也可形成更多光子。

  Wallis还指出,使用立方GaN另一益处则是绿光LED能隙比六边GaN还低200mV,因此可节省铟的使用,但也有其缺点。因为在GaN,3C结晶晶格在热力学上较不稳定,因此在达到可成长磊晶的温度时,只有六边结晶可形成,除非能量平衡可透过人工加以调整,所幸Anvil半导体目前已研发出方法。采用该公司发明的成长立方碳化硅(cubic silicon carbide)方法,其晶格常数已与立方GaN相当接近,让立方结晶可以顺利成长。

  Wallis透露,剑桥大学已成功成长立方结构低于99%的GaN并在材料上成长量子井,未来该校将继续在量子井附近成长N与P型层,以便形成可透过偏压将电子转换成光子的二极管。

  评论指出,Anvil制程另一好处,是可在成本较低矽晶圆上成长立方碳化硅,而且剑桥大学熟知的晶圆成长六边GaN技术也已售给Plessey,后者也开始使用在制造蓝光与白光LED上。未来等到N与P型层在剑桥大学集成后,晶圆会送至Plessey厂房并开始沈积电极,以便形成可运行的绿光LED。目前3方合作已进入第3个月,预计2016年9月可生产出绿光立方GaN LED。

  至于发光效率如何,Wallis预期绿光效率能与蓝光一致。他并指出,由于这次联盟采用6寸晶圆,因此,将可催生采用150mm的绿光LED制程。

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