Esta es una pregunta que está directamente relacionada con mi investigación, por lo que será más detallada de lo que a la mayoría de la gente le gustaría.
Los LED azules se fabrican con nitruro de galio (GaN) con pozos cuánticos InGaN que producen la luz. Algunos de los problemas fueron / son:
1) Calidad de los cristales de GaN: los cristales crecidos tenían una alta densidad de defectos de dislocación, por lo que esto aumentó la tasa de recombinación no radiativa-recombinación SRH y las corrientes de fuga. Los defectos de dislocación causan trampas de nivel profundo, que actúan como sitios de recombinación no radiantes para electrones y agujeros. Un LED eficiente maximizará la recombinación radiativa, ya que eso es lo que produce la luz.
2) Dopaje tipo P: un LED utiliza un diodo para inyectar portadores de carga en pozos cuánticos. Un diodo tiene un material de tipo p en contacto con un material de tipo n. Sin embargo, durante mucho tiempo, nadie pudo encontrar un dopante de tipo p adecuado para GaN. Nakamura logró usar magnesio como un dopante de tipo p al encontrar las condiciones adecuadas (temperatura y presión). Incluso hoy, el dopaje con Mg no es ideal, debido a la alta energía de activación. Solo el 10% del Mg está activado. Entonces, si su concentración de Mg es 1e19, solo se generan alrededor de 1e18 agujeros libres.
3) Baja movilidad del agujero y alta resistencia en p-GaN: los átomos de Mg son grandes y el dopaje no es uniforme, por lo que la movilidad cae muy bruscamente y la superficie es rugosa. Esta es la razón por la cual el material p siempre se cultiva en último lugar, ya que cualquier material que se cultiva sobre p-GaN tiene una calidad deficiente. La movilidad de los agujeros para p-GaN es de aproximadamente 10-20 cm ^ 2 / (Vs). La baja movilidad y la baja concentración de agujeros libres hacen que el p-GaN sea altamente resistente.
Resistividad = movilidad * concentración del agujero * unidad de carga
Otro problema importante con la escasa movilidad del pozo es la distribución de agujeros no homogénea en los QW. Hasta que un QW tenga suficientes portadores atrapados atrapados en el pozo, absorbe la luz. Pero debido a la poca movilidad, solo se llenan los QW cerca del lado p, mientras que los otros tienen menos agujeros. Hasta ahora, se ha encontrado que 2 QW son óptimos. Básicamente, 1-2 QW están produciendo toda la luz, mientras que los otros están absorbiendo. Esto limita la cantidad de QW que podemos usar.
Incluso hoy, este problema no se ha resuelto.
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4) Carga de polarización: los materiales III-N (GaN, AlN e InN) son materiales polares debido a la asimetría en la estructura a lo largo del plano c polar. Existen planos de cristales no polares y semipolares, pero tienen una calidad de cristal deficiente.
Siempre que haya una heterounión (2 materiales diferentes en contacto como GaN / InGaN), existirá una carga de hoja en la interfaz. Esta carga dobla el diagrama de banda y los pozos cuánticos como se muestra a continuación. Esta carga también causa otra barrera para la inyección de agujeros en el QW, ya que la carga positiva de la hoja en la interfaz p-GaN / InGaN repele los agujeros.
El diagrama de la izquierda es un pozo cuántico no polar regular (como GaAs), por lo que el pozo es rectangular. Las líneas punteadas son funciones de onda de electrones (arriba) y de agujero (abajo).
La ganancia QW está directamente relacionada con la superposición entre las funciones de onda de electrones y huecos. A la izquierda, hay casi un 100% de superposición.
A la derecha, debido a la carga de polarización, los electrones se tiran de un lado y los agujeros del otro lado, por lo que la superposición es muy baja. Este efecto reduce la ganancia y se llama efecto Stark confinado cuántico. Hay trucos para mitigar este efecto. Imagen tomada de la página web de mi asesor.
5) deformación: todos los materiales III-N tienen una gran falta de correspondencia de red, lo que significa que el AlN es mucho más pequeño que GaN, que es más pequeño que InN a lo largo del plano a.
Un LED típico tiene al menos 10-20 capas crecidas una encima de otra por el proceso MOCVD.
Si creces capas una encima de otra, la estructura se agrietará debido a la tensión, a menos que las capas no tengan una composición demasiado diferente. Por ejemplo, el 10% de AlGaN en GaN puede estar bien hasta cierta altura, pero el 25% de AlGaN en GaN se romperá. Esto restringe el espacio de diseño.
A pesar de estos inconvenientes, el sistema de material AlInGaN es muy prometedor, ya que puede ir desde el infrarrojo (InN bandgap = 0.7 eV) hasta el UV medio profundo (AlN bandgap = 6.2 eV).