日本佐贺大学利用ZnTe试制成功低成本高效率的绿光LED

佐贺大学利用ZnTe（碲化锌）试制成功了发光波长为550nm的绿光LED。光线的输出功率与输入电力之比为0.1～0.2％，“发光效率与同一波带的GaP类绿光LED产品相当”（佐贺大学助教田中彻）。发光效率还有进一步提高的余地，“大概可提高5～10倍左右”（田中）。按照设想，绿光LED将在效率提高5～10倍后投产。除提高效率外，成本也可轻松降至GaP类绿光LED以下。此次，从利用ZnTe底板制作LED芯片到封装均由佐贺大学独自完成。

目前，发光波长为550nm的GaP类绿光LED被应用于光电广告牌、指示灯、手机按键等发光装饰等用途。在此类用途中，如果采用ZnTe类绿光LED的话，由于其本身发光效率高，因此可以达到降低耗电量和成本的目的。并且，光输出功率也有望超越GaP类绿光LED，可以期待其成为使用塑料光纤（POF）的光通信系统的光源。这是因为，550nm波带刚好是POF传输损失较小的区域。

图：试制的ZnTe类绿光LED

绿光LED可以作为显示器光源，但ZnTe类LED不面向此类用途。ZnTe的带隙为2.27eV，不适合在易于扩大色彩表现范围的520nm波带上发光。面向520nm波带，目前使用的是InGaN类绿光LED。

通过改进制造方法提高效率

此次，光输出功率与输入电力的功率之比提高的原因在于LED制造方法的改进。在试制的绿光LED芯片中，底板采用p型ZnTe，利用“热扩散法”使Al扩散，从而形成n型层。这时，通过在底板上设置“扩散控制层”，可以优化Al浓度分布，提高了发光效率。这是由于，热扩散法比被称作MOCVD法和MBE法的外延生长法更容易形成n型层，可以更容易精密地控制生长时的II族和VI族原料的供应量比例。

0.1～0.2％的光输出功率与输入功率之比是在尺寸约为400μ～500μm见方的LED芯片上，在驱动电流为10mA、驱动电压为+3V左右时得到的结果。今后，效率还有望进一步提高。这是因为ZnTe是直接迁移型半导体，因此可以通过异质结来提高效率。

GaP类和InGaN类绿光LED是间接迁移型半导体。一般来说，与间接迁移型相比，直接迁移型的晶体内的电子和正空穴更容易结合，便于提高发光效率。

此次的试制品为同质结型LED。通过使其改变为与已经投产的LED相同的异质结型，光输出功率与输入电力的功率之比估计可以提高5～10倍左右。因为异质结型容易封闭载流子，使发光效率得到提高。

材料费和制造成本较低

ZnTe类绿光LED的制造成本有可能低于GaP类绿光LED。这是因为ZnTe的材料费比GaP低，而且ZnTe类绿光LED可以采用有助于降低成本的制造方法。制造1个LED器件的材料费“仅为GaP类LED的1/4左右”（田中）。

关于制造方法，通过采用名为“布里奇曼法”的方法制造ZnTe底板，成功的降低了成本。ZnTe在熔点附近的蒸气压约为1个大气压，从原理上来讲，适合晶体生长的压力只需要几个大气压左右。利用这一特征，可以通过布里奇曼法简化装置结构，以较低成本进行制造。但目前该方法还面临着一个课题，就是与被称为“LEK法”的其他方法制造出的ZnTe晶体相比，结晶质量过低。其原因在于布里奇曼法下的最佳生长条件还没有完全确立。

布里奇曼法正在逐步得到改进，与已经面向THz器件投产的ZnTe底板相比，“结晶质量低2倍左右”（田中）。具体来说，根据晶体质量评价指标——X射线摇摆曲线半峰宽的比较结果，利用布里奇曼法制作的底板为50秒，是目前产品（20秒）的2倍左右。该值越小质量越好。

今后，佐贺大学在面向制品化提高绿光LED效率的同时，还将着眼于绿色激光器的制作。对于制作激光器，为了便于形成光封闭效率较高的结构，生长方法将使用MOCVD法。