شل‌شدگی حرارتی در دیودهای نورافشان نیترید گالیوم ایندیوم

گروهی از محققان اروپایی و هندی با بررسی‌های تجربی و شبیه‌سازی‌های تئوری، مدل‌هایی برای شل‌شدگی حرارتی در دیودهای نورافشان نیترید گالیوم ایندیوم حاوی چاه کوانتومی توسعه داده‌اند.

شل‌شدگی حرارتی در ابزارهای تجاری اهمیت بالایی دارد؛ زیرا براساس گرمایش ژول با ادامه کارکرد ابزار، دمای آن افزایش می‌یابد. برخی دیودهای نورافشان تجاری می‌توانند تا دمای 175 درجه سانتی‌گراد کار کنند. افزایش دمای کارکرد یک ابزار می‌تواند از طریق کاهش نیاز به مدیریت حرارتی آن، هزینه استفاده از ابزار را کاهش دهد. با این حال ابزارهایی که در دمای 150 درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند، نسبت به دمای اتاق 25 درصد قدرت اُپتیکی خود را از دست می‌دهند.
به صورت کلی با افزایش دمای دیودهای نورافشان نیترید گالیوم ایندیوم، کارایی آن‌ها کاهش می‌یابد. شل‌شدگی حرارتی با کاهش کارایی در جریان بالا که به طور وسیعی مطالعه شده است، تفاوت دارد. در حقیقت مطالعات مربوط به کارایی با استفاده از ولتاژهای پالسی انجام می‌شود تا از خودگرمایش ژولی جلوگیری شود.
دانشگاه پادوا و Politecnico di Torino در ایتالیا، شرکت Osram Opto Semiconductors GmbH در آلمان و دانشگاه آنا در هند تعدادی ابزار صفحه c روی سیلیکون را با چگالی‌های نقص نقطه‌ای متفاوت مورد بررسی قرار دادند. سطح نقص ساختاری این ابزارها با استفاده از طیف‌سنجی C-DLTS تخمین زده شد.
این ابزارها با استفاده از اپیتکسی فاز بخار فلز-آلی (MOVPE) با توالی لایه‌های زیر رشد داده شدند: لایه بافر نیترید آلومینیوم، لایه بافر 5 میکرومتری نیترید آلومینیوم گالیوم/نیترید گالیوم، لایه پخش‌کننده جریان نیترید گالیوم نوع n دُپ شده با سیلیکون، چاه کوانتومی منفرد 3 نانومتری، لایه محدود کننده الکترون نیترید آلومینیوم گالیوم نوع p، و یک لایه تماسی نیترید گالیوم نوع p.
شل‌شدگی حرارتی با افزایش سطح نقص ساختاری افزایش یافت تا جایی که 99 درصد توان خروجی ابزار با افزایش دما از 83 کلوین تا 475 کلوین از بین رفت.
این محققان اثر مشاهده شده را به بازترکیب غیرتابشی شاکلی رید هال (Shockley-Read-Hall یا SRH) از طریق سطوح انرژی نقایص در شکاف باندی نسبت داده‌اند. آن‌ها توضیح داده‌اند که البته نمی‌توان به سادگی شل‌شدگی حرارتی را با افزایش بازترکیب SRH در دماهای بالا توضیح داد.
این نتایج با استفاده از شبیه‌سازی‌ها و افزایش چگالی نقص در ابزارها از طریق اعمال استرس 100 میلی‌آمپری در 75 درجه سانتی‌گراد که موجب کاهش عملکرد ابزار می‌شود، به دست آمده‌اند. با وجود افزایش بازترکیب SRH و کاهش لومینسانس ابزار، شدت شل‌شدگی حرارتی ثابت باقی ماند.