蓝色 LED 的制造众所周知地困难，这减缓了廉价、高效的白色 LED 灯泡的生产速度。现在，英国科学家认为他们知道原因了。他们发现，制造蓝色 LED 半导体三明治的关键成分之一，镁，可能是导致生产问题的原因。他们的工作可能有助于开发新的制造策略来克服这个问题，从而降低白色 LED 灯的成本。
蓝色 LED 为其发明者赢得了去年的物理学诺贝尔奖，它们被誉为固态照明的下一步。将它们与更容易制造的红色和绿色 LED 结合使用，可以制造出非常高效的白色照明。然而，制造问题仍然存在，蓝色 LED 仍然比红色和绿色 LED 贵得多。
“制造 p 型氮化镓很困难，”英国伦敦大学学院 (UCL) 的约翰·巴克里奇说，他的团队进行了这项研究。p 型半导体是一种富含正电荷载流子或空穴的材料，而负电荷则构成相反的 n 型半导体。在 LED 中，这两种材料被夹在一起，当对其施加电压时，电子和空穴将在结处相遇，并发出光子。
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为了制造 p 型变体，必须掺杂镁以增加自由移动空穴的数量。巴克里奇解释说，你可能会期望每个镁原子替换一个镓原子都会捐赠一个额外的电荷载流子，但事实并非如此。“你需要放入大量的镁才能在[氮化镓中]看到任何类型的 p 型激活，”他说。“[这]在技术上具有挑战性，因为你接近溶解度极限。”
为了找出原因，巴克里奇和他在伦敦大学学院的同事们将先进的多尺度计算建模应用于这个问题——这种方法获得了2013 年的化学诺贝尔奖。
“你用一个镁原子代替一个镓原子，”巴克里奇解释说。“你用量子理论水平处理它和周围 100 个原子的区域。” 在此周围，你假设另外 20,000 个原子的行为是经典的，只能对电荷缺陷的存在做出反应。在这种设置下，他们只能对相对于 p 型激活所需量的非常少量的镁进行建模。
自己最大的敌人
该团队发现镁是自己最大的敌人。“[镁]代替镓会成为它产生的空穴的非常深的陷阱，”巴克里奇认为。“释放它所需的能量将如此之多，以至于最终会熔化氮化镓。”
但即使你能够从镁陷阱中释放出空穴，它仍然无法与电子相遇，因为它在能量上更有利于击出氮原子。这会留下一个空位，从而捕获空穴。
使用镁掺杂剂在氮化镓中仍然不清楚为什么会发生任何 p 型激活，但这项研究可能有助于解释为什么制造商必须使用如此大量的镁才能获得少量正电荷载流子流过材料。
巴克里奇希望该技术将使研究人员能够“确定可以减少这种捕获能量的设计策略”。然而，他承认，还需要进行更多的研究，以确定当您添加大量的镁并达到 p 型激活时会发生什么。
美国劳伦斯伯克利国家实验室的克里斯蒂安·基谢洛夫斯基也认为，需要更好地了解更高镁浓度下会发生什么。“这项[研究]处理的是稀释缺陷浓度，这些浓度不用于器件的掺杂，”基谢洛夫斯基告诉《化学世界》。“它可能对氮化镓的掺杂没有影响。”
本文经《化学世界》许可转载。 该文章于 2015 年 1 月 26 日首次发表。