佐贺大学利用ZnTe(碲化锌)试制成功波长为550nm的绿光LED

来自日本方便的消息,佐贺大学利用ZnTe(碲化锌)试制成功了发光波长为550nm的绿色LED。光线的输出功率与输入电力之比为0.1~0.2%,发光效率与同一波带的GaP类绿色LED产品相当。发光效率还有进一步提高的餘地,大概可提高5~10倍左右。按照设想,绿色LED将在效率提高5~10倍后投产。除提高效率外,成本也可轻松降至GaP类绿色LED以下。此次,从利用ZnTe底板制作LED芯片到封装均由佐贺大学独自完成。  

目前发光波长为550nm的GaP类绿色LED被应用于光电看板、指示灯、手机按键等发光装饰等用途。在此类用途中,如果采用ZnTe类绿色LED的话,由于其本身发光效率高,因此可以达到降低耗电量和成本的目的。并且,光输出功率也有望超越GaP类绿色LED,可以期待其成为使用塑胶光纤(POF)的光通信系统的光源。这是因为,550nm波带刚好是POF传输损失较小的区域。  

绿色LED可以作为显示器光源,但ZnTe类LED不面向此类用途。ZnTe的带隙为2.27eV,不适合在易于扩大色彩表现范围的520nm波带上发光。面向520nm波带,目前使用的是InGaN类绿色LED。

此次,光输出功率与输入电力的功率之比提高的原因在于LED制造方法的改进。在试制的绿色LED芯片中,底板采用p型ZnTe,利用「热扩散法」使Al扩散,从而形成n型层。这时,通过在底板上设置「扩散控制层」,可以优化Al浓度分佈,提高了发光效率。这是由于,热扩散法比被称作MOCVD法和MBE法的外延生长法更容易形成n型层,可以更容易精密地控制生长时的II族和VI族原料的供应量比例。  

0.1~0.2%的光输出功率与输入功率之比是在尺寸约为400μ~500μm见方的LED芯片上,在驱动电流为10mA、驱动电压为+3V左右时得到的结果。今后,效率还有望进一步提高。这是因为ZnTe是直接迁移型半导体,因此可以通过异质结来提高效率。GaP类和InGaN类绿色LED是间接迁移型半导体。一般来说,与间接迁移型相比,直接迁移型的晶体内的电子和正空穴更容易结合,便于提高发光效率。  

此次的试制品为同质结型LED。通过使其改变为与已经投产的LED相同的异质结型,光输出功率与输入电力的功率之比估计可以提高5~10倍左右。因为异质结型容易封闭载流子,使发光效率得到提高。  

ZnTe类绿色LED的制造成本有可能低于GaP类绿色LED。这是因为ZnTe的材料费比GaP低,而且ZnTe类绿色LED可以采用有助于降低成本的制造方法。制造1个LED器件的材料费仅为GaP类LED的1/4左右。  

关于制造方法,通过采用名为「布里奇曼法」的方法制造ZnTe底板,成功的降低了成本。ZnTe在熔点附近的蒸气压约为1个大气压,从原理上来讲,适合晶体生长的压力只需要几个大气压左右。利用这一特徵,可以通过布里奇曼法简化装置结构,以较低成本进行制造。但目前该方法还面临着一个课题,就是与被称为「LEK法」的其他方法制造出的ZnTe晶体相比,结晶品质过低。其原因在于布里奇曼法下的最佳生长条件还没有完全确立。  

布里奇曼法正在逐步得到改进,与已经面向THz器件投产的ZnTe底板相比,「结晶品质低2倍左右」。具体来说,根据晶体品质评价指标——X射线摇摆曲线半峰宽的比较结果,利用布里奇曼法制作的底板为50秒,是目前产品(20秒)的2倍左右。该值越小品质越好。今后,佐贺大学在面向制品化提高绿色LED效率的同时,还将着眼于绿色雷射器的制作。对于制作雷射器,为了便于形成光封闭效率较高的结构,生长方法将使用MOCVD法。

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