佐賀大學(xué)利用ZnTe（碲化鋅）試制成功了發(fā)光波長(zhǎng)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(fā)光效率與同一波帶的GaP類綠色LED產(chǎn)品相當(dāng)”（佐賀大學(xué)助教田中徹）。發(fā)光效率還有進(jìn)一步提高的余地，“大概可提高5～10倍左右”（田中）。按照設(shè)想，綠色LED將在效率提高5～10倍后投產(chǎn)。除提高效率外，成本也可輕松降至GaP類綠色LED以下。此次，從利用ZnTe底板制作LED芯片到封裝均由佐賀大學(xué)獨(dú)自完成。
目前，發(fā)光波長(zhǎng)為550nm的GaP類綠色LED被應(yīng)用于光電廣告牌、指示燈、手機(jī)按鍵等發(fā)光裝飾等用途。在此類用途中，如果采用ZnTe類綠色LED的話，由于其本身發(fā)光效率高，因此可以達(dá)到降低耗電量和成本的目的。并且，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料光纖（POF）的光通信系統(tǒng)的光源。這是因?yàn)椋?50nm波帶剛好是POF傳輸損失較小的區(qū)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，不適合在易于擴(kuò)大色彩表現(xiàn)范圍的520nm波帶上發(fā)光。面向520nm波帶，目前使用的是InGaN類綠色LED。
通過改進(jìn)制造方法提高效率
此次，光輸出功率與輸入電力的功率之比提高的原因在于LED制造方法的改進(jìn)。在試制的綠色LED芯片中，底板采用p型ZnTe，利用“熱擴(kuò)散法”使Al擴(kuò)散，從而形成n型層。這時(shí)，通過在底板上設(shè)置“擴(kuò)散控制層”，可以優(yōu)化Al濃度分布，提高了發(fā)光效率。這是由于，熱擴(kuò)散法比被稱作MOCVD法和MBE法的外延生長(zhǎng)法更容易形成n型層，可以更容易精密地控制生長(zhǎng)時(shí)的II族和VI族原料的供應(yīng)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芯片上，在驅(qū)動(dòng)電流為10mA、驅(qū)動(dòng)電壓為+3V左右時(shí)得到的結(jié)果。今后，效率還有望進(jìn)一步提高。這是因?yàn)閆nTe是直接遷移型半導(dǎo)體，因此可以通過異質(zhì)結(jié)來提高效率。
GaP類和InGaN類綠色LED是間接遷移型半導(dǎo)體。一般來說，與間接遷移型相比，直接遷移型的晶體內(nèi)的電子和正空穴更容易結(jié)合，便于提高發(fā)光效率。
此次的試制品為同質(zhì)結(jié)型LED。通過使其改變?yōu)榕c已經(jīng)投產(chǎn)的LED相同的異質(zhì)結(jié)型，光輸出功率與輸入電力的功率之比估計(jì)可以提高5～10倍左右。因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)型容易封閉載流子，使發(fā)光效率得到提高。
材料費(fèi)和制造成本較低
ZnTe類綠色LED的制造成本有可能低于GaP類綠色LED。這是因?yàn)閆nTe的材料費(fèi)比GaP低，而且ZnTe類綠色LED可以采用有助于降低成本的制造方法。制造1個(gè)LED器件的材料費(fèi)“僅為GaP類LED的1/4左右”（田中）。
關(guān)于制造方法，通過采用名為“布里奇曼法”的方法制造ZnTe底板，成功的降低了成本。ZnTe在熔點(diǎn)附近的蒸氣壓約為1個(gè)大氣壓，從原理上來講，適合晶體生長(zhǎng)的壓力只需要幾個(gè)大氣壓左右。利用這一特征，可以通過布里奇曼法簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)，以較低成本進(jìn)行制造。但目前該方法還面臨著一個(gè)課題，就是與被稱為“LEK法”的其他方法制造出的ZnTe晶體相比，結(jié)晶質(zhì)量過低。其原因在于布里奇曼法下的最佳生長(zhǎng)條件還沒有完全確立。
布里奇曼法正在逐步得到改進(jìn)，與已經(jīng)面向THz器件投產(chǎn)的ZnTe底板相比，“結(jié)晶質(zhì)量低2倍左右”（田中）。具體來說，根據(jù)晶體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)——X射線搖擺曲線半峰寬的比較結(jié)果，利用布里奇曼法制作的底板為50秒，是目前產(chǎn)品（20秒）的2倍左右。該值越小質(zhì)量越好。
今后，佐賀大學(xué)在面向制品化提高綠色LED效率的同時(shí)，還將著眼于綠色激光器的制作。對(duì)于制作激光器，為了便于形成光封閉效率較高的結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)方法將使用MOCVD法。
|
