WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
ФИЗИКА ФИЗИКА ГОЛУБЫЕ ДИОДЫ Р. З. БАХТИЗИН Башкирский государственный университет, Уфа ВВЕДЕНИЕ BLUE DIODES Получение света было задачей первостепенной важности для человечества еще на заре цивилизации, так как R. Z. BAKHTIZIN способствовало ускорению его развития (использование источников света означало эффективное удлинеOperational principles of blue and green light- ние светового дня, продолжение осмысленной деятельности в помещениях и т.д.). Начиная с использования emitting diodes as well as laser diodes which открытого огня эволюция светотехники заключалась в are based on group III element nitrides, the изобретении все более ярких и эффективных источниhistory of their creation, and the principal chalков света. Как и многие другие важнейшие достижения lenges that had to be met are discussed.

человечества (связь на больших расстояниях, передача музыки, изображений, …), это направление получило Обсуждены принципы работы cиних и зеле- интенсивное развитие в последние 100–120 лет. Важной вехой на этом пути стало изобретение в 1879 году ных светодиодов и лазерных диодов на осноТ.А. Эдисоном электрической лампы накаливания. Усве нитридов элементов группы III, история пехи физики газового разряда в 20-е годы XX века приих создания и основные трудности, котовели к разработке неоновых ламп, газоразрядных ламп рые при этом необходимо было преодолеть.

высокого давления, люминесцентных ламп, галогенных ламп накаливания. Завершение этого этапа светотехники позволило решить задачи освещения интерьеров промышленных и жилых зданий, улиц, оформления центров досуга и рекламы.

СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ Во второй половине XX века появляются принципиально новые источники света, основанные на использовании полупроводниковых технологий, и к началу 1962 года создан первый светоизлучающий диод (светодиод) – базовый элемент оптоэлектроники (рис. 1).

Он состоит из активного слоя, включающего электронно-дырочный переход с характерной шириной запрещенной зоны Eg и заключенного между полупроводниками n- и p-типа, и омических контактов1. Величина Eg определяет минимальную энергию, необходимую для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Когда ток протекает в прямом направлении, Сама возможность создания светодиодов впервые была показана еще в 1927 году О.В. Лосевым, тогда сотрудником Нижегородской радиолаборатории, при исследовании свечения www.issep.rssi.ru полупроводникового кристалла карборунда SiC, вызванного пропусканием тока (свечение Лосева).

БАХТИЗИН Р.З. ГОЛУБЫЕ ДИОДЫ Бахтизин Р.З., © ФИЗИКА V Eg, эВ + Прямозонные полупроводники Непрямозонные полупроводники AlN MgS MgSe ZnS pn Ультрафиолетовый диапазон GaN ZnSe AlP GaP AlAs SiC InN Энергия Инфракрасный GaAs CdSe диапазон Зона проводимости InP Область p-типа dсапфира dSiC-6H dGaAs 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,Eg EF Длина химической связи, h = Eg Рис. 2. Зависимость ширины запрещенной зоны Eg различных полупроводниковых соединений от длиОбласть n-типа ны химической связи (межатомного расстояния), Валентная зона которая оказывает основное влияние на величину Расстояние Eg. Заметим, что соединения группы II–VI имеют постоянные решетки, которые близки к постоянной Рис. 1. Схема и энергетическая диаграмма полу- решетки GaAs. Для наглядности приведены спектр проводникового светоизлучающего диода. EF – уро- видимого излучения и постоянные решетки некотовень Ферми рых распространенных подложек электроны проходят через переход со стороны n-полу- Укажем некоторые применения светодиодов, а такпроводника, а дырки – со стороны p-полупроводника, же лазерных диодов, излучающих в различных обласв результате чего в области p–n-перехода происходит тях спектра [1–4].

излучательная рекомбинация с образованием фотонов 1) увеличение емкости накопителей на компактс энергией h Eg. Этот процесс реализуется лишь в так дисках (CD) и цифровых видеодисках (DVD). Так как называемых прямозонных полупроводниках, отличаюплотность записи 1/, то лишь за счет замены красщихся особой зонной структурой (дно зоны проводимоного лазерного диода на фиолетовый с уменьшением сти и потолок валентной зоны расположены при одном длины волны излучения в 2 раза объем памяти возразначении волнового вектора), в которых интенсивность стает в 4 раза (с 4,7 до 15 Гбайт);

прямых оптических переходов значительно превосхо2) создание полноцветных дисплейных экранов.

дит интенсивность непрямых.

Комбинируя InGaN-, AlGaN- и GaAlAs-светодиоды, можно получить любой участок видимого спектра с Величины Eg для полупроводников, излучающих в качеством, превосходящим известный телевизионный видимой и прилегающих к ней областях спектра, пристандарт NTSC (рис. 3, а);

ведены на рис. 2. Как видно, чтобы создать светодиоды 3) в устройствах отображения информации, уличили лазерные диоды, работающие в видимой области спектра, необходимо использовать материалы с шири- ных светофорах, системах аварийного оповещения и т.д. (рис. 3, б);

ной запрещенной зоны >2 эВ.

4) в цветных лазерных принтерах высокого разреДолгое время массовое производство светодиодов шения;

ограничивалось приборами, излучающими в красной и 5) в системах связи на основе волоконно-оптичесинфракрасной областях спектра. Светодиоды изготавких линий;

ливали на основе арсенида галлия GaAs и его твердого 6) в производстве экономичных осветительных устраствора AlGaAs. Первые зеленые светодиоды делали ройств с заменой обычных люминесцентных ламп и из фосфида галлия GaP, а синие – из карбида кремния ламп накаливания.

SiC. Однако эти материалы характеризуются непрямой зонной структурой, вследствие чего получается излуче- Но для получения высокой интенсивности излучение слабой интенсивности. ния нужны прямозонные материалы. Анализ возможных СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №3, ФИЗИКА аб y 0,Промышленные светодиоды:



= 1 – красный, AlGaAs 2 – синий, InGaN 3 – зеленый, InGaN 0,4 – зелено-желтый, GaP 5 – желто-зеленый, AlInGaP 0,7 Телевизионный стандарт NTSC 0,0,0,0,0,0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,x Рис. 3. а – диаграмма хроматичности CIE (Comission Internationale de l’clairage – Международная комиссия по освещенности) 1931 года, показывающая соотношение между тремя основными компонентами (красной, зеленой и синей) света, необходимыми для получения заданного цвета. Все многообразие реальных цветов находится в пределах выделенной площади. Вдоль осей x и y отложены доли двух компонент, определяющие вклад третьей.

Для удобства по периметру диаграммы проставлены длины волн монохроматического излучения. Цифры в белых кружочках указывают расположение на диаграмме некоторых серийных светодиодов. Штриховым треугольником выделен телевизионный стандарт США и Японии (NTSC); б – плоский светодиодный телевизионный экран на одной из улиц Токио кандидатов показал, что имеются два класса перспек- ЭВОЛЮЦИЯ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ ZnSe тивных полупроводников: соединения элементов Начиная с 1980 года многие группы безуспешно пытагрупп III–V – нитриды и групп II–VI – халькогениды лись вырастить пленки р-типа ZnSe методом MOCVD, (см. рис. 2).

пока в 1990 году Р. Парк (R. Park (компания 3M, США)) не показал, что высокая концентрация дырок в образПопытки реализовать синие и зеленые светодиоды цах получается при легировании азотом и это можно и лазеры начались более 20 лет назад и были связаны с было осуществить используя высокочастотные плазиспользованием кристаллов нитрида галлия GaN и семенные источники. После проведения успешного р-тиленида цинка ZnSe, но возникли трудности в синтезе и па легирования ZnSe уже в конце 1991 года появилось легировании этих материалов (обычно их получают в сообщение об изготовлении первого лазерного диода, виде эпитаксиальных пленок). Для выращивания плеизлучавшего зеленый свет. Такие диоды выращивали нок используют два технологических подхода: метод на GaAs-подложках (на рис. 2 хорошо видно, что помолекулярно-лучевой эпитаксии (MBE – Molecular стоянные решеток ZnSe и GaAs отличаются незначиBeam Epitaxy) в условиях сверхвысокого вакуума и метельно).

тод осаждения пленок из металлоорганических соедиОднако первые образцы работали лишь при 77 К в нений (MOCVD – Metalorganic Chemical Vapor Deposiимпульсном режиме и характеризовались коротким tion) [5]. Принципиально важно при этом обеспечить (несколько минут) временем жизни, которое к 1996 госовпадение периодов кристаллических решеток последу удалось увеличить до 100 ч (400 ч в 1997 году). Было довательных слоев с различным химическим составом, установлено, что причина наблюдаемой деградации чтобы границы между соседними слоями не содержали заключалась в безызлучательной рекомбинации на дефектов и были резкими. дислокациях, попавших в активный слой. Увеличение БАХТИЗИН Р.З. ГОЛУБЫЕ ДИОДЫ ФИЗИКА времени жизни было достигнуто за счет уменьшения у других полупроводниковых соединений III–V групп, числа дефектов упаковки и дислокаций на межфазной а большие значения энергии связи (2,2 эВ для GaN) явгранице GaAs/ZnSe от 106 до 103 см- 2, но даже в этом ляются причиной высокой температуры плавления и случае отдельные дефекты продолжали диффундиро- затрудняют выращивание кристаллов из расплава, повать по объему, приводя к разрыву относительно сла- этому их, как правило, получают в виде монокристалбых связей в соединениях II–VI и выходу приборов из лических пленок. До недавнего времени все пленки строя. Систематические исследования, выполненные в нитридов, которые удавалось вырастить, отличались компании “Sony”, показали, что ответственными за де- высокой концентрацией примесей n-типа, обусловградацию являются также и точечные дефекты, а оцен- ленной большой плотностью дефектов, что препятстки времени жизни привели к значению 3 104 ч, что вовало созданию примесей p-типа и тем самым образозначительно превышало наблюдаемые 400 ч и указыва- ванию p–n-переходов.

ло на существование неучтенных факторов, одним из Основной причиной, препятствовавшей получению которых могло быть влияние омического контакта со высококачественных пленок GaN, было отсутствие стороны р-области прибора. Такие контакты создают подходящих подложек, параметры решетки и коэффисильно легируя полупроводник, но дополнительное циент теплового расширения которых соответствовали р-легирование активированным плазмой азотом может бы GaN. Долгое время такие пленки выращивали на приводить к росту сопротивления образца из-за возрассапфире (рассогласование решеток 13,5%), достоинсттания концентрации дефектов и к его перегреву при вами которого являются лишь термическая стойкость и эксплуатации. Недостаточные времена жизни сдерживозможность очистки перед началом роста. Другая вают широкое применение приборов из этих материапроблема – получение кристаллов p-типа. Первые ралов, хотя определенные перспективы связываются с боты в этом направлении были начаты еще в 60-е годы блокадой диффузии дефектов в активный слой гетероXX века, однако все попытки надежно внедрить элелазеров слоями сверхрешеток с переменной деформаменты группы II (Mg, Zn, Be) как примеси замещения, цией, а также с использованием соединения BeZnSe.

которые бы действовали как акцепторы, завершились неудачей. Трудности были так велики, что встал воНИТРИД ГАЛЛИЯ И ЕГО СПЛАВЫ прос, следует ли вообще тратить время на работу с этим материалом.





Исследования свойств нитридов элементов группы III Подобные мысли, по-видимому, не приходили в (AlN, GaN, InN) и их сплавов, представляющих собой голову японскому профессору И. Акасаки (I. Akasaki), широкозонные полупроводники с прямыми оптичеспосвятившему жизнь изучению GaN. Из многих его докими переходами, позволили заключить, что они являстижений выделим два основных, сделанных в 80-е гоются наиболее перспективными материалами для изгоды XX века. Он предложил включить между сапфиром товления свето- и лазерных диодов, излучающих во и активным слоем буферный слой AlN, что отчасти всей видимой и ультрафиолетовой (240–620 нм) обласснимало проблему несоответствия решеток, и уже в тях спектра (табл. 1). Однако реализация этих преиму1986 году получил пленки GaN высокого качества. А в ществ более 30 лет сдерживалась значительными труд1989 году счастливый случай помог ему вместе с его ностями в получении соответствующих материалов.

аспирантом Амано (H. Amano) впервые изготовить Из-за малости ковалентного радиуса N параметр реобразец p-типа. Изучая под электронным микроскошетки кристаллов нитридов значительно меньше, чем пом легированную Mg пленку GaN, Акасаки и Амано обнаружили свечение образца после бомбардировки Таблица 1. Сравнение характеристик некоторых светодиодов электронами2. Завершив электронно-микроскопические исследования, они установили, что проводимость стала р-типа, и связали это с воздействием электронного пучка на пленку, способствовавшим замещению атомов Ga атомами Mg. Но к тому времени большинство исследователей прекратили работать с GaN, и сообщение Акасаки почти не привлекло внимания, а к концу 1991 года, когда Хаас (M. Haase (компания 3М, США)) Красный GaAlAs 660 1790 4855 12,Зеленый GaP 555 63 30 0,07 Справедливости ради здесь следует упомянуть о работах Зеленый InGaN 500 2000 1000 2,01 Г.В. Сапарина и М.В. Чукичева (МГУ), выполненных в 1981– 1982 годах, в которых обнаружена люминесценция пленок Синий SiC 470 9 11 0,GaN под действием электронного пучка, но тогда они не Синий InGaN 450 2500 3000 5,смогли объяснить причину появления яркого свечения.

СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №3, Светодиод Материал Длина волны излучения, нм Интенсивность люминесценции, мккд Выходная мощность, мкВт Квантовый выход, % ФИЗИКА объявил о создании первого ZnSe зеленого лазера, зеленых светодиодов. Зная, что главной проблемой явпрактически все уже работали с халькогенидами. При ляется получение подходящих материалов, а хорошим этом интерес к исследованию соединений II–VI групп методом их выращивания – MOCVD, он поехал для его был столь велик, что в некоторых университетах (Uni- освоения в университет штата Флорида (США). После versitt Wrzburg, Deutschland) были организованы спе- посещения множества светодиодных конференций, Нациальные центры для координации работ в этом на- камура вспоминал: “Большинство университетов и комправлении и выпуска соответствующих материалов и паний, в частности в Японии, работали с ZnSe. Но я приборов. уже имел горький опыт, что если занимаешься тем же, что делает кто-либо еще, то, когда доходит до выпуска ПРОРЫВ Ш. НАКАМУРЫ продукции, оказывается, что ты не можешь ее продать.

И я решил выбрать другой материал”. Накамура хоро29 ноября 1993 года, когда компания “Nichia Chemical шо осознавал проблему рассогласования решеток, но Industries Ltd.” объявила, что завершила разработку годля него важнее всего было то, что эта область не прилубых светодиодов на основе GaN и планирует привлекала внимания больших компаний.

ступить к их массовому производству, общая реакция Открытие Акасаки оказалось фантастически удачкомпаний, производящих оптоэлектронные приборы ным. После возвращения из Флориды в 1989 году Наи компоненты была: кто Лишь немногие даже в Японии камура построил свою установку MOCVD и начал ракогда-либо слышали о “Nichia”, эта компания никогда ботать над проблемой буферного слоя. Он решил не не значилась среди зарегистрированных в оптоэлекткопировать подход Акасаки (осознавая возможные ронной промышленности. И мало кто обратил внимапроблемы с патентованием) и вместо AlN использовал ние на пару статей, опубликованных незадолго до этого GaN. Он получил зеркальную поверхность, а измерив Ш. Накамурой3, молодым исследователем из “Nichia”, электрические характеристики, обнаружил, что GaN даже кто собственно и создал голубые диоды. Но после получше: подвижность носителей тока оказалась выше.

явления столь сенсационного заявления все хотели узУзнав о важном достижении Акасаки по полученать, кто такой Накамура и что представляет собой эта нию материала р-типа, Накамура быстро воспроизвел компания.

этот результат, но при этом заметил, что облучение обКогда Накамура поступил на работу в “Nichia”, его разца электронным потоком приводило к небольшому первым заданием было получение металлического Ga его нагреву, и предположил, что наблюдавшийся эфвысокой чистоты. Справившись с ним, он переклюфект мог быть просто результатом влияния температучился на выращивание монокристаллов GaAs и InP. Но ры. Подвергнув образец отжигу в атмосфере азота, он когда компания попыталась выйти с продукцией на обнаружил, что его сопротивление понизилось, и тарынок, она не смогла конкурировать с таким гигантом, ким образом выяснил, что эффект был не следствием как “Sumitomo Electric”. Следующим заданием было обработки пучком электронов, а результатом прогрева.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.