Российские ученые из университета МИСИС совместно с коллегами из Южной Кореи приблизились к пониманию процессов, препятствующих дальнейшей миниатюризации устройств на основе широкозонных полупроводников, например светодиодов для LED-дисплеев. Исследователи предполагают, что проблему возможно решить при помощи дополнительной обработки поверхности. Результаты работы опубликованы в научном журнале Alloys and compounds.
В производстве светодиодов или мощных транзисторов сложно обойтись без широкозонных полупроводников, которые, как правило, способны работать при более высоких напряжениях и температурах. Силовая электроника на широкозонных полупроводниках может быть на порядки компактнее силовой электроники из кремния, не проигрывая по параметрам устройств, а оптические устройства в синей области спектра вообще возможно делать только на широкозонных полупроводниках.
Одна из основных задач, которая стоит перед ученым в области разработки светодиодов и транзисторов, это уменьшение устройств без потери их эффективности. Миниатюризация светодиодов позволит создавать дисплеи более высокой плотности и энергоэффективности, например, это важно для VR-технологий, где необходимы дисплеи с высоким разрешением. Уменьшение транзисторов, в свою очередь, позволит разместить большее количество компонентов 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.
Как отмечают исследователи, сделать устройство небольшого размера нетрудно, сложнее сохранить его характеристики, уменьшая размер (эффективность излучения для светодиодов или передаваемую мощность для транзистора), поскольку при миниатюризации увеличивается влияние поверхности полупроводника на характеристики устройства.
Российские ученые совместно с коллегами из университета Корё в Сеуле изучили 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 были выращены методом осаждения металлорганических соединений из газообразной фазы с диаметрами от 100 μм до 10 μм (микрометров).
«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 всё 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.
Для подтверждения теории о вкладе поверхности в ухудшение эффективности устройства, ученые провели исследование свойств дефектов для всей линейки образцов. Исследователи обнаружили рост концентрации дефектов, которые 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 её 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 ученые планируют продолжить изучать свойства дефектов в μLED светодиодах, вызванных сухим травлением, и совместно с группой из Университета Корё пытаться решить проблему при помощи отжига и пассивации или искать другие пути к достижению максимальной эффективности микро-светодиодов.
