Kubisch galliumnitride blijkt ideaal basismateriaal voor groene leds. En op silicium met geëtste nanogroefjes kun je zulke kristallen nog kweken ook, schrijven onderzoekers uit Illinois in Applied Physics Letters.

Zulke groene leds kun je bijvoorbeeld gebruiken om wit licht te maken. Je moet ze dan combineren met rode en blauwe, en de lichtintensiteiten op elkaar afstellen. Dat idee is heel oud en op papier zeer energiezuinig. Maar in de praktijk is het nooit doorgebroken, en gebrek aan efficiënte groene leds was daarvoor een belangrijke reden. De huidige witte ledlampen bevatten alleen maar blauwe leds met een chemische coating die het licht omzet in alle kleuren van het spectrum.

Probleem met die huidige groene leds is vooral dat ze hexagonaal galliumnitride bevatten. Die kristalvorm is thermodynamisch stabiel, en heel gemakkelijk te kweken op een kristallijne ondergrond. Maar hexagonaal GaN leidt aan inwendige polarisatie die het elektronentransport tegenwerkt, en daarmee ook de lichtproductie.

Kubisch GaN vertoont die polarisatie niet maar is instabiel. Tot nu toe kon je het alleen kweken als epitaxiale laag op een zogeheten (100) kristalvlak van bijvoorbeeld silicium. In een lab is dat nog net te doen, in de fabriek al helemaal niet.

Can Bayram en promovendus Richard Liu hebben nu een slimme truc bedacht. Ze gaan uit van hetzelfde Si(100)-kristalvlak, met een laagje SiO₂ er overheen. In de combinatie etsen ze U-vormige nanogreppeltjes, die net doordringen tot in de onderste siliciumlaag.

Essentieel hierbij zijn de schuine overgangen tussen de bodem en de zijwanden van de U. Op die overgangen komen Si(111)-kristalvlakken bloot te liggen waarop hexagonaal GaN kan groeien. Als dat op beide overgangen tegelijk gebeurt, groeien die kristallen tegen elkaar aan. Dat past niet. Op het raakvlak ontstaat daarom een compromis, en als alle hoeken goed zijn ingesteld (dat luistert vrij nauw) bestaat dat compromis uit kubisch GaN. En als je daarvan eenmaal een stabiele onderlaag hebt, groeit de hele greppel er vanzelf mee dicht.

Met een AFM-microscoop konden de auteurs constateren dat het oppervlak van de gevulde greppel inderdaad uit zuiver kubisch GaN bestaat, dat onder deze omstandigheden keurig wordt gestabiliseerd. De SiO₂-zijwanden van de greppel kunnen daarbij dienen als stroomtoevoer om de led licht te laten geven

Bijkomend voordeel is dat je op deze manier dus leds kweekt die integraal deel uitmaken van een chip.

bron: University of Illinois