藍色 LED 的製造眾所周知地困難，這減緩了廉價、高效的白色 LED 燈泡的生產速度。現在，英國科學家認為他們知道原因了。他們發現，製造藍色 LED 半導體三明治的關鍵成分之一，鎂，可能是導致生產問題的原因。他們的工作可能有助於開發新的製造策略來克服這個問題，從而降低白色 LED 燈的成本。
藍色 LED 為其發明者贏得了去年的物理學諾貝爾獎，它們被譽為固態照明的下一步。將它們與更容易製造的紅色和綠色 LED 結合使用，可以製造出非常高效的白色照明。然而，製造問題仍然存在，藍色 LED 仍然比紅色和綠色 LED 貴得多。
“製造 p 型氮化鎵很困難，”英國倫敦大學學院 (UCL) 的約翰·巴克裡奇說，他的團隊進行了這項研究。p 型半導體是一種富含正電荷載流子或空穴的材料，而負電荷則構成相反的 n 型半導體。在 LED 中，這兩種材料被夾在一起，當對其施加電壓時，電子和空穴將在結處相遇，併發出光子。
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為了製造 p 型變體，必須摻雜鎂以增加自由移動空穴的數量。巴克裡奇解釋說，你可能會期望每個鎂原子替換一個鎵原子都會捐贈一個額外的電荷載流子，但事實並非如此。“你需要放入大量的鎂才能在[氮化鎵中]看到任何型別的 p 型啟用，”他說。“[這]在技術上具有挑戰性，因為你接近溶解度極限。”
為了找出原因，巴克裡奇和他在倫敦大學學院的同事們將先進的多尺度計算建模應用於這個問題——這種方法獲得了2013 年的化學諾貝爾獎。
“你用一個鎂原子代替一個鎵原子，”巴克裡奇解釋說。“你用量子理論水平處理它和周圍 100 個原子的區域。” 在此周圍，你假設另外 20,000 個原子的行為是經典的，只能對電荷缺陷的存在做出反應。在這種設定下，他們只能對相對於 p 型啟用所需量的非常少量的鎂進行建模。
自己最大的敵人
該團隊發現鎂是自己最大的敵人。“[鎂]代替鎵會成為它產生的空穴的非常深的陷阱，”巴克裡奇認為。“釋放它所需的能量將如此之多，以至於最終會熔化氮化鎵。”
但即使你能夠從鎂陷阱中釋放出空穴，它仍然無法與電子相遇，因為它在能量上更有利於擊出氮原子。這會留下一個空位，從而捕獲空穴。
使用鎂摻雜劑在氮化鎵中仍然不清楚為什麼會發生任何 p 型啟用，但這項研究可能有助於解釋為什麼製造商必須使用如此大量的鎂才能獲得少量正電荷載流子流過材料。
巴克裡奇希望該技術將使研究人員能夠“確定可以減少這種捕獲能量的設計策略”。然而，他承認，還需要進行更多的研究，以確定當您新增大量的鎂並達到 p 型啟用時會發生什麼。
美國勞倫斯伯克利國家實驗室的克里斯蒂安·基謝洛夫斯基也認為，需要更好地瞭解更高鎂濃度下會發生什麼。“這項[研究]處理的是稀釋缺陷濃度，這些濃度不用於器件的摻雜，”基謝洛夫斯基告訴《化學世界》。“它可能對氮化鎵的摻雜沒有影響。”
本文經《化學世界》許可轉載。 該文章於 2015 年 1 月 26 日首次發表。