立方体GaN：应对绿光能隙问题的解决方案？

从六方GaN转变为立方体GaN可制成压降减小且效率更高的绿光LED

绿光 LED 效率低下的不足之处应归咎于强大的内部电场和较差的材料质量。它们的效率不到同等级别红光和蓝光 LED 的一半。

解决这个被称为“绿光能隙”的问题并不容易，但是，根据伊利诺伊大学香槟分校 Yi-Chia Tsai 和 Can Bayram 所做的第一性原理计算，从传统的六方相转变为立方相拥有着广阔的前景。

这些计算揭示了立方相相比于六方相所具备的优点，包括较小的带隙、较小的晶格失配和较小的有效质量。

Bayram 说：“具体而言，通过立方结构 Ⅲ 族氮化物实现的绿光发射，量子阱中所需的铟含量可比六方结构 Ⅲ 族氮化物低 5%。”

降低铟含量是一项重要的突破，因为这将减少晶格失配、减低缺陷率和改善材料质量。

Bayram 说：“鉴于铟掺杂的指数型温度特性，因此铟含量降低 5% 是意义重大的。”他指出，这使得绿光发射量子阱的生长温度升高，从而增长了这些层中合金的均匀性。

另外，转向使用立方结构 InGaN 还是改善活性区域设计的关键所在。在传统器件中，量子阱一定不能超过仅几个纳米的厚度。这可确保在电子和空穴之间有足够的重叠（电子和空穴被内部电场拉往不同的方向）。

量子阱厚度较薄的不利之处是其在捕获载流子方面效率较低。为解决这一问题，可将多个量子阱相互叠加，但是这么做会由于载流子注入的不对称性而损害器件性能。只有较靠近 p 型区域的量子阱发光，这是因为电子外溢造成的。

当采用立方 LED 时，器件不受压电效应的影响，所以没有强电场将电子和空穴分开。这意味着辐射复合效率很高，即使对于增加载流子捕获的厚量子阱也不例外。更重要的是，采用这种形式的 GaN 制作的 LED 所遭受的俄歇复合 (Auger recombination) 较少，因此不太容易产生压降。

值得注意的是，伊利诺伊大学香槟分校的这两位研究者绝不是最早对 GaN 及其相关合金的关键特性进行计算的人。在此之前，人们已经做了基于局部密度近似、广义梯度近似、和“G₀W₀”近似的计算。据 Bayram 表示，所有这些方法的缺点是它们会产生相互矛盾的结果。例如，h 相 InN 的带隙值介于 0.69 eV 至 1.02 eV 和 2.0 eV 之间，而普遍接受的实验值则为 0.78 eV。

Bayram 说：“在工作中，我们运用协作和实验来验证六方结构 Ⅲ 族氮化物的研究结论，然后将该理论方法应用于提取立方相参数。”据称，这种统一的方法可在量化富铟 Ⅲ 族氮化物的结构和电子特性方面提供较高的准确度。

Bayram 和 Tsai 采用了局部密度近似的变种，因为标准版本低估了带隙。他们使用了一种被称为 LDA-1/2 的形式，这种形式考虑了电子的半离子化 (half-ionising)，并校正了带隙值。

当采用该方法时，研究人员发现：为了在 h 相中实现波长位于 550 nm 的绿光发射，需要一种 In_0.322Ga_0.678N 的成分；但是对于 c 相，则使用 In_0.274Ga_0.726N 来实现。

现在，研究人员将进行立方相器件的光、电和热特性仿真。

图：立方氮化物大多是直接带隙。高铝含量区域中的黑虚线标记的是直接-间接跃迁。白虚线是晶格常数等值线。黑实线是共发射体的带隙等值线：红光（1.91 eV、650 nm）、绿光（2.24 eV、550 nm）、蓝光（2.75 eV、450 nm）和 UV（4.43 eV、280 nm）。

 文中插图所含文字的翻译如下：

In 摩尔分数     Ga 摩尔分数     Al 摩尔分数 

参考文献

Y. -C. Tsai et al. Sci. Rep. 9 6583 (2019)