150433 (Квантовый выход светочувствительных структур полупроводник-металл-диэлектрик), страница 2

Прежде всего, светодиод — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным p-n-переходом или контактом «металл — полупроводник», генерирующий (при прохождении через него электрического тока) оптическое (видимое) излучение. Напомним, что p-n-переход — это «кирпичик» полупроводниковой электронной техники, представляющий соединенные вместе два куска полупроводника с разными типами проводимости (один с избытком электронов — «n-тип», второй с избытком дырок — «p-тип»). Если к p-n-переходу приложить «прямое смещение», то есть подсоединить источник электрического тока плюсом к p-части, то через него потечет ток.

Нас интересует то, что происходит после того, как через прямо смещенный p-n-переход пошел ток, а именно момент рекомбинации (соединение) носителей электрического заряда — электронов и дырок, когда имеющие отрицательный заряд электроны «находят пристанище» в положительно заряженных ионах кристаллической решетки полупроводника. Оказывается, что такая рекомбинация может быть излучательной, при этом в момент встречи электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света — фотона.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-n перехода в кристалле оказывается недостаточно и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры.

Самая распространенная конструкция светодиода — традиционный 5-миллиметровый корпус (рис. 1). Конечно, это не единственный вариант «упаковки» кристалла.

Светодиод имеет два вывода — анод и катод. На катоде расположен алюминиевый параболический рефлектор (отражатель). Внешне он выглядит, как чашеобразное углубление, на дно которого помещен светоизлучающий кристалл. Активный элемент — полупроводниковый монокристалл — в большинстве современных светодиодов используется в виде кубика (чипа) размерами 0,3x0,3x0,25 мм, содержащего р-n или гетеропереход и омические контакты. Кристалл соединен с анодом при помощи перемычки из золотой проволоки. Оптически прозрачный полимерный корпус, являющийся одновременно фокусирующей линзой вместе с рефлектором, определяет угол излучения (диаграмму направленности) светодиода.

Что касается яркости светодиода, то для нее далеко не безразлична и оптическая прозрачность n-области (сверхтонкие пленки полупроводников вполне прозрачны). Ну а цвет (частота) излучения, имея четкую функциональную связь с энергией испускаемых фотонов, зависит от материалов полупроводниковых р-п-переходов. В частности, чистый монокристалл GaAs дает инфракрасный луч, небольшая добавка А1 и/или Р меняет цвет излучения на красный. Зеленый свет испускает GaP. Использование же р-п-перехода на основе композиции AlInGaP позволяет получать желтое или оранжевое излучение.

Работая, одиночный светодиод потребляет очень небольшую энергию: при напряжении 2-4 В и токе 10-30 мА электрическая мощность варьируется от 20 до 120 мВт. При КПД в 5-25% в виде света излучается 1-30 мВт (сила света 1-30 кд). Для сравнения — миниатюрная лампа накаливания работает при напряжении около 12 В и токе 50-100 мА.

В отличие от ламп накаливания светодиоды излучают свет в относительно узкой полосе спектра, ширина которой составляет 20-50 нм. Они занимают промежуточное положение между лазерами, свет которых монохроматичен (излучение со строго определенной длиной волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных спектров). Иногда такое «узкополосное» излучение называют «квазимонохроматическим». Как источники «цветного» света светодиоды давно обогнали лампы накаливания со светофильтрами. Так, световая отдача лампы накаливания с красным светофильтром составляет всего 3 лм/Вт, в то время как красные светодиоды сегодня дают 30 лм/Вт и более. Например, новейшие приборы Luxeon производства американской компании Lumileds (совместное предприятие Agilent Technologies и Philips Lighting) обеспечивают 50 лм/Вт для красной и даже 65 лм/Вт для оранжево-красной части спектра. Впрочем, и это не рекорд — для желто-оранжевых светодиодов планка 100 лм/Вт уже взята.

Получение голубых светодиодов

Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов, излучающих в синем диапазоне. Трудности по изготовлению голубых светодиодов пришлось преодолевать «всем миром». Голубые светодиоды можно получить на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы (помните таблицу Менделеева?).

У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения — то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару. У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды. Нитрид галлия GaN плавится при 2000 °С, при этом равновесное давление паров азота составляет 40 атмосфер; ясно, что растить такие кристаллы непросто. Аналогичные соединения — нитрилы алюминия и индия — тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной запрещенной зоны, зависящей от состава, который можно подобрать так, чтобы генерировать свет нужной длины волны, в том числе и синий. Но возникли трудности в синтезе и легировании этих материалов (обычно их получают в виде эпитаксиальных пленок). Для выращивания пленок используют два технологических подхода: метод молекулярнолучевой эпитаксии (МВЕ — Molecular Beam Epitaxy) в условиях сверхвысокого вакуума и метод осаждения пленок из металлоорганических соединений (MOCVD — Metalorganic Chemical Vapor Deposition). Принципиально важно при этом обеспечить совпадение периодов кристаллических решеток последовательных слоев с различным химическим составом, чтобы границы между соседними слоями не содержали дефектов и были резкими. Проблему не удавалось решить до конца 80-х годов.

Первым, еще в 70-х годах, голубой светодиод на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову (Якову Исаевичу Панчечникову) из фирмы IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практики (доли %), но срок их службы был ограничен. В р-области p-n-перехода концентрация дырок была мала, и сопротивление диодов оказалось слишком большим, они довольно быстро перегревались и выходили из строя. Работы Панкова в то время руководство фирмы IBM не поддержало.

В начале 80-х годов Г. В. Сапарин и М. В. Чукичев в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова обнаружили, что после действия электронного пучка образец GaN, легированный Zn, локально становится ярким люминофором. Были предложены устройства оптической памяти с пространственным разрешением 1-10 мкм. Но причину яркого свечения — активацию акцепторов Zn под влиянием пучка электронов — тогда понять не удалось.

Эту причину раскрыли И. Акасаки и Х. Амано из Нагойского университета. Дело оказалось в том, что примесные атомы Zn при росте кристалла реагировали с неизбежно присутствующими атомами водорода, образовывали нейтральный комплекс Zn-H+ и переставали работать акцепторами. Обработка электронным пучком разрушала связи Zn-H+ и возвращала атомам Zn акцепторную роль. Поняв это, японские ученые сделали принципиальный шаг в создании p-n-переходов из GaN. Для аналогичного акцептора, Mg, было показано, что обработкой сканирующим электронным пучком можно р-слой GaN с примесью Mg сделать ярко люминесцирующим, имеющим большую концентрацию дырок, которая необходима для эффективной инжекции дырок в p-n-переход. Авторы заявили патент на эффективное легирование GaN р-типа.

Однако разработчики светодиодов не обратили должного внимания на их публикации.

А прорыв в изготовлении голубых светодиодов совершил С. Накамура из фирмы Nichia Chemical. 29 ноября 1993 года, когда компания Nichia Chemical Industries объявила, что завершила разработку голубых светодиодов на основе GaN и планирует приступить к их массовому производству, общая реакция компаний, производящих оптоэлектронные приборы и компоненты была: «кто?». Лишь немногие, даже в Японии, когда-либо слышали о Nichia — эта компания никогда не значилась среди зарегистрированных в оптоэлектронной промышленности. И мало кто обратил внимание на пару статей, опубликованных незадолго до этого С. Накамурой, молодым исследователем из Nichia.

Накамура начал работу над созданием сине-зеленых светодиодов. Зная, что главной проблемой является получение подходящих материалов, а хорошим методом их выращивания — MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition) — метод осаждения пленок из металлоорганических соединений.

Первый коммерческий синий светодиод был сделан Накамурой в начале 1994 года на основе гетероструктуры InGaN/AlGaN с активным слоем InGaN, легированным Zn.

Выходная мощность составляла 3 мВт при прямом токе 20 мА с квантовым выходом (отношением числа инжектированных электронов к числу образовавшихся фотонов) 5,4% на длине волны излучения 450 нм. Вскоре после этого за счет увеличения концентрации In в активном слое был изготовлен зеленый светодиод, излучавший с силой света 2 кд. Он состоит из 3-нанометрового активного слоя In0,2Ga0,8N, заключенного между слоями p-AlGaN и n-GaN, выращенными на сапфире. Такой тонкий слой InGaN сводит к минимуму влияния рассогласования решеток: упругое напряжение в слое может быть снято без образования дислокаций и качество кристалла остается высоким. Здесь слой InGaN образует одиночную квантовую яму, в которой локализованы электроны и дырки, поступающие из окружающего материала. Из-за пространственного ограничения движения носителей тока происходит эффективная излучательная рекомбинация. Скорость рекомбинации зависит от содержания In в активном слое и энергии квантованных состояний, которые, в свою очередь, зависят от толщины квантовой ямы и энергетического барьера между слоем InGaN и окружающим материалом, а изменение толщины дает возможность дополнительно управлять длиной волны излучения. В 1995 году при еще меньшей толщине слоя InGaN и более высоком содержании In удалось повысить силу света до 10 кд на длине волны 520 нм, а квантовую эффективность до 6,3%, причем время жизни светодиодов составляло 5х104ч (измеренное), а по теоретическим оценкам — более 106 ч (около 150 лет!).

Получение белого света с помощью светодиодов

На сегодняшний момент существует три способа получение белого света с помощью светодиодов: смешивание в определенной пропорции излучения красного, зеленого и синего светодиодов. При этом могут быть использованы как отдельные светодиоды разных цветов, так и 3-кристальные светодиоды, объединяющие кристаллы красного, синего и зеленого свечения в одном корпусе. На рис. 2 показано получение белого света путем смешивания в определенной пропорции излучения красного, зеленого и синего светодиодов.

Основой более дешевого и распространенного способа получения светодиода белого света является полупроводниковый кристалл структуры InGaN, излучающий на длине волны 460-470 нм (синий цвет) и нанесенный сверху на поверхность кристалла люминофор на основе YAG (иттрий-гадолиниевых гранатов, активизированный Се3+), излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтой части спектра.

На рис. 3 показано получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора.

Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет. Такие светодиоды намного дешевле 3-кристальных, обладают хорошей цветопередачей, а по светоотдаче (до 30 лм/Вт) они уже обогнали лампы накаливания (7-10 лм/Вт).

На рис. 4 показано строение 5-миллиметрового светодиода, излучающего белый свет.

Еще один метод получения белого света — возбуждение 3-слойного люминофора светодиодом ультрафиолетового спектра (УФ-СИД).

На рис. 5 показано получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиода и RGB-люминофора.

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.