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诺奖得主中村修二关注课题:“非极性GaN”发光元件研究

导读: 获得2014年诺贝尔物理学奖的中村修二目前在研究什么课题呢?其研究的课题之一是利用GaN结晶的“非极性面”和“半极性面”结晶面。因为利用这些结晶面可实现效率和输出功率更高的发光元件。

  OFweek光学网:获得2014年诺贝尔物理学奖的中村修二目前在研究什么课题呢?其研究的课题之一是利用GaN结晶的“非极性面”和“半极性面”结晶面。因为利用这些结晶面可实现效率和输出功率更高的发光元件(蓝色LED和半导体激光器等)。

  白色LED使用的蓝色LED芯片以及蓝光光盘装置中的光源使用的蓝紫色半导体激光器等GaN类半导体发光元件一般利用GaN结晶的“极性面”。利用GaN结晶的半极性面和非极性面,能削弱GaN结晶产生的“压电电场”的影响,提高发光元件的发光效率。

  削弱压电电场,提高效率

  压电电场是指因结晶构造变形造成的压电极化而产生的电场,它是导致以InGaN等GaN类半导体为发光层的蓝色LED和绿色LED外部量子效率降低的原因之一。不仅是LED,作为削减蓝紫色半导体激光器耗电量的技术,以及实现绿色半导体激光器的技术也受到了关注。

  例如,InGaN类LED的市售品是以GaN结晶的极性面c面(0001)为生长面,以其法线方向(c轴)为生长轴来层积InGaN层等。此时,生长轴c轴方向会产生压电电场。而压电电场使注入发光层的电子与空穴分离,降低了有助于发光的辐射复合概率。内部量子效率因此而降低,从而导致外部量子效率降低。

  c轴方向产生压电电场是因为,InGaN层的结晶构造变形,形成了压电极化。原因是构成InGaN层的InN和GaN的a轴方向晶格常数存在差。除了压电极化外,InGaN层在结晶构造上还会产生自发极化。不过,压电极化更大一些,因此自发极化的电场与压电电场相比非常小。

  由于压电电场沿着c轴方向产生,所以只要把InGaN层的生长轴偏离c轴方向设定,就能削弱压电电场对生长轴方向造成的影响,从而提高外部量子效率。因此,研究人员以垂直于GaN结晶c面的a面和m面等非极性面,或者倾斜于c面的半极性面为生长面,以各个面的法线方向为生长轴,展开了制造InGaN类LED的研究。

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