Reducing thermal resistance across interfaces in GaN-based LEDs by phonon engineering

通过声子工程降低 GaN 基 LED 中界面的热阻

基本信息

批准号：
16F16369
负责人：
塩見淳一郎
金额：
$ 1.54万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-11-07 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

窒化ガリウムと窒化アルミニウム（GaN/AlN）からなるLEDに着目し、ジャンクションの温度を低下させるために、多重量子井戸構造の光電子特性と熱特性を両立する最適化構造を設計した。そのために、多重量子井戸構造を直接的に表す記述子を採用したうえで、構造の良し悪しの評価を、光学物性（放出強度と波長）、熱物性（熱伝導度）、またはその両方を合わせた性能指数にもとづいて行った。光学物性については、電子と正孔の波動関数の重なりの程度によって性能を評価し、熱物性については、フォノン透過関数を計算して熱伝導度を評価した。後者の熱伝導度の計算は、外国人研究員が受け入れ研究者より習得した技術であり、それを発展させて異種材料界面の原子間力定数を第一原理計算にもとづいて求める手法を実現したことは特徴的な成果である。計算の結果、多重量子井戸構造の厚さおよびAlN量子バリアの数を変えた様々な場合について最適構造を同定した。また、それぞれの構造に関して、重なり積分、波長、ポテンシャルを詳細に解析することでその機構を議論した。加えて、光学物性と熱物性を両立する構造についても設計を行い、構造最適化の有用性を示した。さらに、最適化の精度の向上および、現実的なデバイスを念頭に、より複雑な系への展開を可能にした。複雑な系においては候補構造数（配列の組み合わせの数）は、全体の厚さ（単位層の数）を固定した場合でも膨大になり、単位層の数が大きくなるに従ってべき乗で増加するため、ベイズ最適化と物性計算を組み合わせたマテリアルズ・インフォマティクス手法を用いて効率的な最適構造設計を行った。例として，熱伝導の高さを評価値とし、GaN/AlNの多層構造に対して本手法を適用したところ、全候補数の数パーセントの数の構造を計算するだけで最適構造を同定することに成功した。

专注于由氮化炮和氮化铝（GAN/ALN）制成的LED，我们设计了一种优化的结构，该结构结合了多量子井结构的光电和热性能。为此，使用了直接代表多量子井结构的描述符，并根据功绩图（将光学性质（发射强度和波长），导热特性（导热率）或两者兼而有之，对结构的质量和质量进行了评估。关于光学特性，根据电子和孔的重叠波函数的程度评估性能，对于热性能，计算了声子传输函数以评估导热率。导热率的后一种计算是由外国研究人员从寄主研究人员中获取的技术，并且是一种独特的成就，它已开发出一种实现一种使用第一原理计算在不同材料的界面上找到原子力常数的方法。这些计算已经确定了多种量子井结构厚度和ALN量子屏障的数量变化的各种情况的最佳结构。此外，通过详细分析重叠积分，波长和电势来讨论每个结构的机制。此外，设计了可以光学和热性能的结构，证明了结构优化的实用性。此外，已经有可能提高优化的准确性并将其部署到具有逼真的设备的更复杂的系统中。在复杂的系统中，即使固定了整体厚度（单位层的数量），候选结构的数量（阵列组合数）也是巨大的，并且随着单位层数量的增加而随着功率的增加而增加，因此使用材料信息方法进行了有效的最佳结构设计，以结合贝叶斯优化和物理性能计算。例如，当我们使用热传导的高度使用评估值将此方法应用于GAN/ALN多层结构时，我们成功地仅通过计算候选人总数的数％来识别最佳结构。