Российские ученые совместно с иностранными коллегами смогли лучше понять, что мешает уменьшать устройства на основе широкозонных полупроводников, например светодиоды для LED-дисплеев. Решить проблему можно с помощью дополнительной обработки поверхности. Результаты работы опубликованы в журнале Alloys and compounds.
Важную роль в производстве светодиодов или мощных транзисторов играют широкозонные полупроводники. Они, как правило, могут работать при более высоких напряжениях и температурах, чем узкозонные (к ним относится, например, кремний). Поэтому силовая электроника на широкозонных полупроводниках может быть значительно компактнее электроники из кремния.
Это как раз соответствует одной из основных задач в области электроники — как уменьшить светодиоды и транзисторы без потери эффективности. Миниатюризация светодиодов позволит создавать дисплеи более высокой плотности и энергоэффективности, это важно, например, для VR технологий, где необходимы дисплеи с высоким разрешением. Уменьшение транзисторов, в свою очередь, позволит разместить большее количество компонент на подложке что, соответственно, уменьшит удельную стоимость устройства.
«Одним из ключевых параметров для мощных транзисторов является сопротивление во включенном состоянии RON. Для кремния (Si) и оксида галлия (β-Ga2O3) они отличаются в 4000 раз в пользу широкозонного материала. Физически это означает, что мы можем сделать транзистор из β-Ga2O3 в 4000 раз меньше и с характеристиками, не уступающими Si, либо оставить размеры такими же и подавать на транзистор в 60 раз большее напряжения. Для светодиодов все немного проще. Чем светодиод меньше, тем больше плотность тока, которая и заставляет устройство излучать свет. Получается, чем меньше светодиод, тем ярче он будет светиться вплоть до фундаментальных физических ограничений», — рассказал соавтор исследования, инженер научного проекта лаборатории ультраширокозонных полупроводников НИТУ МИСиС Антон Васильев.
Российские ученые совместно с коллегами из Южной Кореи исследовали проблему падения эффективности при миниатюризации μLED светодиодов, используемых, например, в производстве плоскопанельных дисплеев, и связали ее с дефектами, образующимися на боковых стенках структуры материалов. Образцы μLED для исследования авторы работы вырастили методом осаждения металлорганических соединений из газообразной фазы с диаметрами от 10 μм до 100 μм.
«В ходе работы мы узнали об этих структурах много интересного. Например, что на точках света в светодиодном экране — пикселях <30 μм диаметром — значительно падает интенсивность и время спада излучения. Это указывало на постепенное уменьшение излучательной рекомбинации в структуре (уменьшение эффективности светодиода) с уменьшением диаметра пикселей, а зависимость интенсивности от диаметра говорила о довольно сильном вкладе в этот процесс поверхности образца, которая а) набирает дефекты в процессе травления и б) вносит все более существенный вклад в свойства светодиода из-за приближения боковых стенок микро-СД (уменьшение диаметра в процессе травления) к активной области излучения пикселя», — отметил Антон Васильев.
Чтобы подтвердить теорию о вкладе поверхности в ухудшение эффективности устройства, ученые исследовали свойства дефектов для всей линейки образцов. Исследователи выявили рост концентрации дефектов. Это явление авторы связали с повреждением поверхности сухим травлением во время производства светодиода.
«Травление работает так: поток ионов выбивает атомы с поверхности материала, тем самым можно закрыть маской важные участки и сформировать пиксели разных диаметров. Но чем меньше мы хотим сделать пиксель, тем сильнее становится вклад поверхностных дефектов в свойства светодиода, и увеличивается доля безызлучательной рекомбинации, это ведет к падению эффективности для светодиодов маленького размера», — добавил Антон Васильев.
Исследователи предполагают, что проблему падения эффективности μLED светодиодов возможно решить при помощи дополнительного травления в гидроксиде калия (KOH), чтобы химически удалить большую часть дефектного слоя, отжига при более высокой температуре (поднять ее с 700 до 900 °C) и пассивации, при которой оборванные связи на поверхности материала закрываются слоем Al2O3. Все это позволит уменьшить концентрацию активных центров рекомбинации и подавить их участие в безызлучательных процессах.
Однако для уточнения вариантов решения проблем миниатюризации устройств ученым предстоит провести дальнейшие исследования. В будущем они планируют продолжить исследовать свойства дефектов в μLED светодиодах, вызванных сухим травлением, и пытаться решить проблему при помощи отжига и пассивации или искать другие пути к достижению максимальной эффективности микросветодиодов.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
