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。

针对氮化镓和氮化铝（GaN/AlN）制成的LED，我们设计了一种优化结构，结合了多量子阱结构的光电和热性能，以降低结温。为此，我们采用了直接表示多量子阱结构的描述符，然后通过结合光学特性（发射强度和波长）、热特性（热导率）或两者来评估结构的质量。基于性能指标。对于光学特性，通过电子和空穴的波函数之间的重叠程度来评价性能，对于热特性，通过计算声子传输函数来评价导热性。后者的热导率计算是国外研究人员向本国研究人员学习的技术，通过开发该技术，他们实现了一种基于第一性原理计算计算不同材料界面处的原子力常数的方法。独特的结果。计算的结果是，对于改变多量子阱结构的厚度和AlN量子势垒的数量的各种情况，确定了最佳结构。我们还通过详细分析重叠积分、波长和电势来讨论每种结构的机理。此外，我们设计了一种同时实现光学和热性能的结构，证明了结构优化的有用性。此外，它还提高了优化的准确性，并使开发更复杂的系统与实际设备成为可能。在复杂的系统中，即使总厚度（单元层数）固定，候选结构的数量（排列组合的数量）也会变得巨大，并且随着单元层数的增加而呈指数增加。结合贝叶斯优化和物理性质计算的材料信息学方法。例如，当将该方法应用于使用热传导高度作为评估值的GaN/AlN多层结构时，仅通过计算成功的候选总数的百分之几就可以确定最佳结构。