Контроль и структура материала

Любой светодиод имеет в своей основе кристалл, в котором при протекании тока излучается свет. При этом структура и качество выращенного кристалла влияют на то, как он будет излучать свет. Наличие внутренних дефектов, таких как микротрещины и дислокации (искажение правильной кристаллической решетки), ухудшают качество излучения.

Чтобы получить кристалл с наименьшим количеством (плотностью) дефектов, необходимо тщательно подбирать условия роста. В светодиодной промышленности используют пленки нитрида галлия (GaN), которые выращивают методом эпитаксии на подложке из сапфира в специальном реакторе. Идеальный бездефектный рост требует совпадения параметров кристаллической решетки подложки и пленки. К сожалению, на практике это труднодостижимо, т.к. использовать GaN в качестве подложки при эпитаксиальном росте слишком дорого. У сапфира, который как материал – намного дешевле нитрида галлия, кристаллическая решетка имеет отличие порядка 14% от GaN, что приводит к высокой плотности линейных дефектов – дислокаций, кроме того, в процессе формирования и роста в реакторе, в пленке возникают механические напряжения, высокий уровень которых может привести к появлению трещин.

Научная деятельность компании «Оптоган. Новые технологии света» в области контроля структуры и материалов направлена на исследование влияния дефектов на механические напряжения в пленках GaN, а также на поиск путей снижения плотности дефектов, например, используя промежуточные слои из других материалов или пористые структуры. Кроме того, важной является задача уменьшения механических напряжений, возникающих в пленках при росте. Использование упорядоченной пористой структуры в качестве промежуточного слоя в комбинации с определенными условиями роста влияет на улучшение качества структуры.

На рисунках 1 и 2 проиллюстрированы результаты, полученные в исследовательских подразделениях компании «Оптоган» при исследовании влияния внутренних пор на качество кристаллической структуры и, в конечном счете, на качество излучения.

На рис. 1 ниже показан пример сформированной пористой структуры в пленке GaN.

На рис. 2. показано влияние формы пор непосредственно на качество излучения светодиодного чипа. Пористая структура со стенками, имеющими угол наклона 60о, улучшает выход света на 21% по сравнению со структурой без пор. Улучшение выхода света обеспечивается как уменьшением плотности дислокаций при оптимальном формировании пористой структуры, так и характером рассеяния света на внутренних границах пор.

Рис.1. Формирование пористой структуры в слоях GaN на сапфире [M. Ali, A.E. Romanov, S. Suihkonen, O. Svensk, P.T. Torma, M. Sopanen, H. Lipsanen, M.A. Odnoblyudov, and V.E. Bougrov, "Void shape control in GaN re-grown on hexagonally patterned, mask-less GaN", Journal of Crystal Growth, 2011, vol.315. No 1, pp. 188-191]

a) 

b)  c) 

Рис.2. а) структура без пор; b) структура с углом наклона стенок 85о; с) структура с углом наклона стенок 60о