佐賀大學利用ZnTe(碲化鋅)試製成功波長為550nm的綠光LED

來自日本方便的消息,佐賀大學利用ZnTe(碲化鋅)試製成功了發光波長為550nm的綠色LED。光線的輸出功率與輸入電力之比為0.1~0.2%,發光效率與同一波帶的GaP類綠色LED產品相當。發光效率還有進一步提高的餘地,大概可提高5~10倍左右。按照設想,綠色LED將在效率提高5~10倍後投產。除提高效率外,成本也可輕鬆降至GaP類綠色LED以下。此次,從利用ZnTe底板製作LED晶片到封裝均由佐賀大學獨自完成。  

目前發光波長為550nm的GaP類綠色LED被應用於光電看板、指示燈、手機按鍵等發光裝飾等用途。在此類用途中,如果採用ZnTe類綠色LED的話,由於其本身發光效率高,因此可以達到降低耗電量和成本的目的。並且,光輸出功率也有望超越GaP類綠色LED,可以期待其成為使用塑膠光纖(POF)的光通信系統的光源。這是因為,550nm波帶剛好是POF傳輸損失較小的區域。  

綠色LED可以作為顯示器光源,但ZnTe類LED不面向此類用途。ZnTe的帶隙為2.27eV,不適合在易於擴大色彩表現範圍的520nm波帶上發光。面向520nm波帶,目前使用的是InGaN類綠色LED。

此次,光輸出功率與輸入電力的功率之比提高的原因在於LED製造方法的改進。在試製的綠色LED晶片中,底板採用p型ZnTe,利用「熱擴散法」使Al擴散,從而形成n型層。這時,通過在底板上設置「擴散控制層」,可以優化Al濃度分佈,提高了發光效率。這是由於,熱擴散法比被稱作MOCVD法和MBE法的外延生長法更容易形成n型層,可以更容易精密地控制生長時的II族和VI族原料的供應量比例。  

0.1~0.2%的光輸出功率與輸入功率之比是在尺寸約為400μ~500μm見方的LED晶片上,在驅動電流為10mA、驅動電壓為+3V左右時得到的結果。今後,效率還有望進一步提高。這是因為ZnTe是直接遷移型半導體,因此可以通過異質結來提高效率。GaP類和InGaN類綠色LED是間接遷移型半導體。一般來說,與間接遷移型相比,直接遷移型的晶體內的電子和正空穴更容易結合,便於提高發光效率。  

此次的試製品為同質結型LED。通過使其改變為與已經投產的LED相同的異質結型,光輸出功率與輸入電力的功率之比估計可以提高5~10倍左右。因為異質結型容易封閉載流子,使發光效率得到提高。  

ZnTe類綠色LED的製造成本有可能低於GaP類綠色LED。這是因為ZnTe的材料費比GaP低,而且ZnTe類綠色LED可以採用有助於降低成本的製造方法。製造1個LED器件的材料費僅為GaP類LED的1/4左右。  

關於製造方法,通過採用名為「布里奇曼法」的方法製造ZnTe底板,成功的降低了成本。ZnTe在熔點附近的蒸氣壓約為1個大氣壓,從原理上來講,適合晶體生長的壓力只需要幾個大氣壓左右。利用這一特徵,可以通過布里奇曼法簡化裝置結構,以較低成本進行製造。但目前該方法還面臨著一個課題,就是與被稱為「LEK法」的其他方法製造出的ZnTe晶體相比,結晶品質過低。其原因在於布里奇曼法下的最佳生長條件還沒有完全確立。  

布里奇曼法正在逐步得到改進,與已經面向THz器件投產的ZnTe底板相比,「結晶品質低2倍左右」。具體來說,根據晶體品質評價指標——X射線搖擺曲線半峰寬的比較結果,利用布里奇曼法製作的底板為50秒,是目前產品(20秒)的2倍左右。該值越小品質越好。今後,佐賀大學在面向製品化提高綠色LED效率的同時,還將著眼於綠色雷射器的製作。對於製作雷射器,為了便於形成光封閉效率較高的結構,生長方法將使用MOCVD法。

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