锌锡氮化物可提高长波铟镓氮发光二极管发光效率

[据今日半导体网站2018年8月2日报道]美国俄亥俄州立大学提出使用锌锡氮化物提高长波铟镓氮发光二极管效率（辐射波长为600纳米）。虽然该工作是理论上的，俄亥俄州立大学赵教授统筹金属有机化学气相沉积、低压化学气相沉积和化学气相沉积设备。

铟镓氮发光二极管需要更高的铟组分产生窄带隙，以获得长波长。不幸的是，铟在III族-氮化物生长过程中比镓更易挥发。为了维持晶体结构中的铟，生长温度必须保持相对较低，降低质量。

同时，III族-氮化物键的电荷极化差异导致大的自发和应变依赖（压电）电场，压电电场分离电子和空穴波函数，阻碍电子和空穴复合放出光子。高铟组分铟镓氮的另一个问题是相分离，产生铟组分的不均匀分布。

Karim和赵教授将锌锡氮化物视为铟镓氮量子阱结构中限制空穴的一种方法。由第一性原理计算得到，材料间价带偏移1.4电子伏，同时导带相对偏移-0.3电子伏。与不含有锌锡氮化物的铟镓氮量子阱结构相比，根据自洽的6波段k.p计算预计空穴限制会增加与电子波函数的重叠。改进的重叠应该导致电子和空穴更有效地辐射光子。此外，减少铟组分（从29％降低至10％）能实现更高的生长温度，从而提高异质结质量。

俄亥俄州凯斯西大学的赵教授在含有锌锗氮化物（ZnGeN2）层的铟镓氮量子阱上进行的一些理论工作表明，蓝光（485nm）和绿光（530nm）发光的辐射效率有所提高。锗与锡元素位于元素周期表的“第IV族”中。锌锗氮化物的价带偏移约为1.1电子伏，但是大的导带偏移减小电子-空穴波函数的重叠。

Karim和赵教授的进一步计算表明，与传统铟镓氮量子阱相比，铟镓氮-锌锡氮化物量子阱对于600纳米波长的自发辐射峰值强度高210～250倍。当载流子浓度从1í1018/厘米3增加至5í1018/厘米3，这两种结构都发生了蓝移，但是铟镓氮-锌锡氮化物量子阱仅发生了3纳米蓝移，而传统铟镓氮量子阱发生了11纳米蓝移。在光谱范围内铟镓氮-锌锡氮化物量子阱自发辐射比传统铟镓氮量子阱结构增强210-235倍。

Karim和Zhao评论道：“请注意，发光二极管的内部量子效率由辐射复合率与总复合率之比决定，包括辐射复合和非辐射复合。在这里，如果我们考虑到铟镓氮-锌锡氮化物量子阱中较低的非辐射复合，人们可以期待从新型量子阱设计中进一步提高内部量子效率。”（工业和信息化部电子第一研究所   许文琪）