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中國科學院的陳弘與其研究團隊利用晶格鬆弛(latticerelaxation)的特性,來控制氮化鎵/氮化銦鎵(GaN/InGaN)量子阱中銦的沉澱(precipitation),能讓氮化銦鎵(InGaN)晶粒發出的光由綠轉白,製作出白光LED。
在科學院的組件中,量子阱的發光波長約為440nm,量子點則發出545 nm或波長更長的光。額外的銦沉澱可以增加量子點的大小與密度,除了讓原始量子點的發光峰值波長變長外,在495nm處也會產生另一個峰。
該研究團隊在GaN/InGaN量子阱的底部加入一層InGaN,原本是用來收集載子,以提高發光強度。在研究過程中,他們嘗試在LED晶圓底部沉積晶格部分鬆弛的InGaN厚膜,結果發現改變InGaN層的厚度,會影響GaN晶體中的應變(strain)分佈,進而改變量子點的濃度。當底層厚度為160、190及220 nm時,晶粒發光的顏色分別為綠光、黃綠光及白光。
由電激發光光譜(Electroluminescentspectra)可以發現,第一顆LED的發光波長有兩個,其它兩顆則為三個。三顆LED底層的含銦比例都是4.4%,其中底層最薄的LED保留有最多的雙軸應變(biaxial-strain),陳弘等人推算其InGaN層的晶格鬆弛比率約為9.6%,相形之下,底層最厚者的鬆弛比高達64.4%。
研究人員利用穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察發現,InGaN底層最薄時,由於結構較完整,因此應變會降低含銦量子點的沉澱。這個方法的缺點在於當底層厚度增加時,激發光強度會降低。陳弘等人認為這是因為高度晶格鬆弛引起的錯位(dislocations)變成非輻射復合(non- radiativerecombination)的中心。
項目負責人陳弘指出,這項技術若要達到商業化量產白光LED,還必需先克服一致性(uniformity)與再現性(reproducibility)的問題。因為,波長的再現性取決於nGaN底層的成份及厚度,因此對長晶溫度十分敏感。