Назад в библиотеку

Эффективные синие светодиоды, ведущие яркие и энергосберегающие белые источники света

Перевод: А.С. Коблик

Аннотация

Эффективные синие светодиоды, ведущие яркие и энергосберегающие белые источники света.В статье показана история развития светодиодов. Приведены методики роста и развития в данной отрасли.


Источник: http://apam.columbia.edu...

Содержание работы


Светоизлучающие диоды (светодиоды) имеют узкополосные источники света на основе полупроводниковых компонентов, с длиной волны от инфракрасного до ультрафиолетового. Первые светодиоды были изучены и построены в 1950–х и 1960–х годов в нескольких лабораториях. Светодиоды излучают свет на различных длинах волн, от инфракрасного до зеленого. Однако, диоды, испускающие синий свет, оказались трудной задачей, которая заняла еще три десятилетия. Это потребовало разработки методики для роста высококачественных кристаллов, а также возможность управляющим p-легирования полупроводников с высокой запрещенной зоной, которая была достигнута с галлий–нитридным (GaN), которые появились только в конце 1980–х годов. Развитие эффективных синих светодиодов также требует производства GaN на основе сплавов с различными составами и их интеграции в многослойные структуры, таких как гетеропереходы и квантовые ямы.

Изобретение эффективных синих светодиодов привело к белым источникам света для освещения. Когда захватывается материал люминофора, с синим СИД, свет излучается в зеленой и красной областях спектра, что, в сочетании с голубым светом, проявляется как белый. Кроме того, несколько светодиодов из дополнительных цветов (красный, зеленый и синий) можно использовать совместно. Обе эти технологии используются в современных высокоэффективных белых электролюминесцентных источниках света. Эти источники света, с очень длительным сроком службы, стали постепенно вытеснять лампы накаливания и люминесцентные лампы для общих осветительных целей. Поскольку освещение представляет 20–30 % нашего потребления электрической энергии, и поскольку эти новые белые источники света требуют в десять раз меньше энергии, чем обычные лампочки, использование эффективных синих светодиодов приводит к значительной экономии энергии, принося большую пользу человечеству.

В этом году Нобелевская премия в области физики чествует изобретателей эффективных синих светодиодов: И. Акасаки, Х. Амано и С. Накамура.

Ранняя история

Первый доклад электрически, с помощью излучения, генерируемого света от твердотельного устройства, пришел от Х. Дж. Раунд, работающего на Маркони Электроника в 1907 году [1], от приложенного напряжения между двумя контактами на карборунд (карбид кремния) кристалла. При низких напряжениях желтый свет наблюдался, но больше цвета было выброшено при более высоких напряжениях. Электролюминесценция была также изучена О. В. Лосевым (1903–1942 гг.), физик в СССР, который в 1920–х и 1930–х годах опубликовал ряд статей в международных журналах по электролюминесценции из карборунда [2]. Эти события происходили еще до разработки современной теории электронной структуры твердотельных материалов. Понимание физики полупроводников и p–n–переходов значительно продвинулось в течение 1940–х годов, ведущих к изобретению транзистора в Белл Телефон лаборатории в США в 1947 г. (Нобелевская премия 1956 году Шокли, Бардин и они пошли по пути). Выяснилось, что р-n переход может быть интересным устройством для излучения света.

В 1951 году К. Леховец с коллегами из инженерно-лабораторного комплекса в США [3] использовал эти идеи, чтобы объяснить электролюминесценции в SiC как в результате инжекции носителей через перекресток с последующей излучательной рекомбинацией электронов и дырок. Однако, наблюдаемая энергия фотонов меньше, чем энергия разрыва в SiC, и они предложили, чтобы излучательная рекомбинация возникает из–за примесей или дефектов кристаллической решетки. В 1955 году, инжекция электролюминесценции была показана в ряде соединений в номерах III–V компаундов [4]. В 1955 и 1956, Дж. Р. Бернс в лаборатории Белл Телефон продемонстрировал, что электролюминесценция, наблюдаемая в германии и кремнии, была из-за рекомбинации дырок и электронов в р–n перехода [6] (см. рис. 1).

Рисунок 1 – Принцип излучения света в р-n переходе.

Рисунок 1 – Принцип излучения света в р–n переходе


В р-n переходе с необъективным прямым напряжением, электроны впрыскиваются от n– к p–стороне, и отверстия вводят в противоположном направлении. Электроны рекомбинируют с дырками и свет излучается (спонтанное излучение). Для эффективного диода важно, что полупроводники имеют прямую ширину зазора. Светодиоды с косвенной шириной зазора требует фонон-помощь рекомбинации, которая ограничивает эффективность. Квантовая эффективность СИД-это отношение числа излучаемых фотонов к числу электронов, прошедших через контакт в данный момент времени.

Инфракрасные светодиоды

Методы, чтобы сделать эффективный р-n-переход с GaAs бурно развивались в последующие годы. GaAs был привлекательным из-за его прямой запрещенной зоны, что позволяет рекомбинации электронов и дырок без участия фононов. Ширина запрещенной зоны является 1,4 эВ, соответствующий свету в инфракрасном диапазоне. Летом 1962 года, сообщалось о наблюдении светового излучения от p-n-переходов [7]. Несколько месяцев спустя, лазерное излучение в GaAs при температуре жидкого азота (77 к), была продемонстрировано независимо и почти одновременно из трех научных групп на Дженерал Электрик, IBM и Массачусетского технологического института «Лаборатория Линкольна», в США [8]. Прошло несколько лет, прежде чем лазерные диоды стали широко использоваться. Благодаря развитию гетероструктур (Нобелевская премия 2000 года Ж. И. Алферов и Н. Кроммер), и квантовых ям лазерные диоды могут работать непрерывно при комнатной температуре, с приложениями в большом разнообразии областей.

Видимые светодиоды

После ранних опытов в конце 1950–х годов [11], прогресс в создании эффективных светодиодов через пробел (непрямой запрещенной зоны равна 2.2 эВ) пошел не последовательно, а параллельно тремя исследовательскими группами из Центральной лаборатории компании Philips в Германии (Х. Г. Гриммис), услуги лабораторий электроники (СЕРЛ) в Великобритании (И. В. Аллен) и Белл телефон лаборатории в США (М. Гершензон) [12]. У них были разные задачи, начиная от связи, освещения и телевидения, чтобы использовать индикатор светильников для электроники и телефонов. Используя различные легирующие добавки (например, ZnO или N) при различных концентрациях, разных длин волны генерировались в диапазоне от красного до зеленого. В конце 1960–х годов, ряд производителей в разных странах делали красный и зеленый светодиоды на основе GaP.

Смешанные кристаллы, в том числе и Ga, как и P (GaPxAs1-x) — это интересно, так как длина волны излучения может быть короче, чем для GaAs, достигая видимого диапазона, а ширина запрещенной зоны - это прямая по х ниже 0,45. Н. Холоньяк-младший и сотрудники в лаборатории "Дженерал Электрик" в США, началb работать с GaPxAs1-x В конце 1950–х годов, и преуспел в создании р-n-переходов и наблюдал светодиодное излучение. Лазерный диод – красный — был отмечен в 1962 г. [15]

Новые методики для роста

В 1970–х годах, новые методы выращивания кристаллов, МЛЭ (молекулярно–лучевой Эпитаксии) [23] и в наших работах (см. ниже (MetalorGaNic паровой фазы Эпитаксия) [24] были разработаны. Были предприняты попытки адаптировать эти техники для выращивания GaN [25]. Исаму Акасаки начал изучать GaN уже в 1974, на момент работы в Мацусита — исследовательского института в Токио. В 1981 году он занял должность профессора в Нагойском университете и продолжил свои исследования на GaN, вместе с Хироши Амано и другими коллегами.

Это займет до 1986 года, до GaN кристалл с высоким качеством и хорошими оптическими свойствами может быть произведен с нашими работами (см. ниже методики) [26]. Прорыв был результатом долгой серии опытов и наблюдений. Тонкий слой (30 нм) из поликристаллического нитрида алюминия впервые зарожден на подложке из сапфира при низкой температуре (500 °C) и затем нагрет до температуры роста GaN в (1000 °С).

В процессе нагрева слой развивает текстуру мелких кристаллитов с преимущественной ориентацией на которой GaN–могут быть выращены. Плотность дислокаций растущего кристалла GaN сначала высокая, но быстро уменьшается со временем. Высокое качество поверхности может быть получено, что было очень важно уменьшить многослойность структур в следующих этапах развития. Таким образом, высокое качество устройства GaN было получено впервые (см. рисунок 2). GaN также может быть произведен со значительно более низким фоновым н–допингом. Сюдзи Накамуры в компании Nichia Химическая Корпорация, небольшая химическая компания в Японии, позже был разработан аналогичный метод, где нитрида алюминия был заменен на тонкий слой из GaN, выращенных при низкой температуре. [28]

Рисунок 2 – а) Рост GaN на сапфире,рисунок 2 - б) удельное сопротивление легированного Mg на GaN

Рисунок 2 – а) Рост GaN на сапфире с использованием слоя нитрида алюминия [27], б) удельное сопротивление легированного Mg на GaN в качестве зависимости от температуры обжига [32]

Легирование GaN Серьезной проблемой для изготовления р–n переходов была трудность в р–допинге GaN в управляемом режиме. В конце 1980–х годов, Амано, Акасаки и коллеги сделали важное наблюдение; они отметили, что при Zn–легировании GaN изучалась с помощью сканирующего электронного микроскопа, от него исходило больше света [29], что свидетельствует лучше р–допинг. Аналогичным образом, когда Mg-легированных GaN был облучен при низкой энергии электронов, что вызвало в лучше р–легировании свойства [30]. Это был важный прорыв, и открыла путь к p–n–переходов в GaN.

Влияние электронного облучения было объяснено несколько лет спустя, в статье Накамура и соавторы [31]. Акцепторов, таких как Mg или Zn образуют комплексы с водородом и таким образом становятся пассивными. Электронные пучки разъединяют эти комплексы и активируют приемщики.

Накамура показал, что даже простая термическая обработка (обжиг) приводит к эффективной активации Mg приемщика. Влияние водорода на нейтрализацию примесей было известно из предыдущих работ с использованием других материалов по Панкову [32], Г. Ф. Ноймарк–Ротшильд [33], и другие.

Важный шаг в создании эффективных синих светодиодов был рост и р–легирование сплавов (АлGaN, InGaN), которые необходимы для того, чтобы произвести гетеропереходы. Такие гетеропереходы были реализованы в начале 90–х годов в обеих Акасаки и Накамура исследовательских группах [34].

Двойные гетероструктуры и квантовые ямы

При разработке инфракрасных светодиодов и лазерных диодов было показано, что гетеропереходы и квантовые ямы имеют важное значение для достижения высокой эффективности. В таких структурах дырки и электроны вводят в небольшом объеме, где рекомбинация происходит более эффективно и с минимальными потерями. Акасаки с коллегами развиты структуры на основе АлGaN/GaN [36] в то время как Накамура с большим успехом эксплуатируются в комбинации InGaN/GaN и InGaN/АлGaN для изготовления гетеропереходов, квантовых ям и множественными квантовыми ямами [38].

В 1994 году, Накамура и коллегами достигнута квантовая эффективность 2,7 % с помощью двойного гетероперехода InGaN/АлGaN [39]. Это важные первые шаги, путь был расчищен в направлении разработки эффективных синих светодиодов и область их применения, была открыта. Обе команды продолжили разработку голубых светодиодов, направленных в сторону более высокой эффективности, универсальности в приложениях. Синее излучение лазера на основе GaN наблюдалось в 1995–1996 у обеих групп [40].

Сегодня эффективный GaN на основе светодиодов являются результатом длинного ряда прорывов в базовых материалах физика и роста кристаллов, в устройстве физике повышенной гетероструктуры конструкции, и в оптической физике для оптимизации световых соединений. Историческое развитие голубых, зеленых, красных и белых светодиодов приводится на рисунке ниже.

Приложения

Освещенная технология в настоящее время переживает революцию, а именно переход от лампочек и люминесцентных ламп на светодиоды. Лампочка, изобретенная Томасом Эдисоном в 1879 году, имеет низкий КПД 16 лм/Вт, что составляет приблизительно 4 % энергоэффективности из электричества в свет. А люмен это единица, используемая для характеристики светового потока, который учитывает спектральный диапазон. Люминесцентные трубки, содержащие ртуть придумал П. Купер Хьюитт в 1900, эффективность достигает 70 лм/Вт. Белые светодиоды в настоящее время достигают более 300 лм/Вт, что составляет более 50% эффективности.

Белые светодиоды, используемые для освещения часто основаны на эффективных синих светодиодов, которые возбуждают люминофор, так что синий свет преобразуется в белый свет. Эти высококачественные светодиоды с их очень долгий срок службы (100000 часов) дешевеют, а рынок в настоящий момент взрыва. Чуть дальше в будущее, трехцветные светодиоды могут заменить сочетание синего светодиода и люминофора для эффективного освещения. Эта технология позволит осуществлять динамическое управление цветовой композицией.

Замена ламп и люминесцентных трубок со светодиодами приведет к резкому сокращению потребностей в электроэнергии для освещения. Поскольку 20–30% электроэнергии потребляется в промышленно развитых странах и используется для освещения, значительные усилия в настоящее время уделяется замене старых технологий освещения со светодиодами.

Сегодня, GaN–светодиоды обеспечивают доминирующей технологией для задней подсветки жидкокристаллических дисплеев, во многих мобильных телефонов, планшетов, ноутбуков, компьютерных мониторов, экранов телевизоров и др.

Синий и УФ–излучающих GaN диодные лазеры используются также в высокой плотности DVD–диски, которая имеет передовые технологии для хранения музыки, фотографий и фильмов. Будущие приложения могут включать использование УФ–излучающих АлGaN/GaN светодиоды для очистки воды, так как ультрафиолетовый свет разрушает ДНК бактерий, вирусов и микроорганизмов в странах с недостаточной или несуществующей электрическим сетям. Электроэнергия от солнечных батарей накапливается в аккумуляторах и при дневном свете, полномочия белых светодиодов в ночное время. Там мы можем наблюдать непосредственный переход от керосиновых ламп на белые светодиоды.

Ссылки

  1. H. J. Round, Electr. World, 49, 308 (1907).
  2. O. V. Losev, Telegrafiya i Telefoniya bez Provodov 44, 485 (1927); Phil. Mag. 6, 1024 (1928); Compt. Rendu Acad. Sci. 39, 363 (1940); USSR patent 12191 (1929).
  3. K. Lehovec, C. A. Accardo & E. Jamgochian, Phys. Rev. 83, 603 (1951).
  4. G. A. Wolff, R. A. Hebert & J. D. Broder, Phys. Rev. 100, 1144 (1955).
  5. R. Braunstein, Phys. Rev. 99, 1892 (1955).
  6. J. R. Haynes, Phys. Rev. 98, 1866 (1955); J. R. Haynes & W. C. Westphal, Phys. R. Braunstein, Phys. Rev. 99, 1892 (1955).Rev. 101, 1676 (1956).
  7. J. I. Pankove, Phys. Rev. Lett. 9, 283-285 (1962); J. I. Pankove & J. E. Berkeyheiser, Proc. IRE, 50, 1976-1977 (1962); R. J. Keyes & T. M. Quist, Proc. IRE, 50, 1822-1823 (1962).
  8. KR. N. Hall, G. E. Fenner, J. D. Kingsley, T. J. Soltys & R. O. Carlson, Phys. Rev. Lett. 9, 366¬ 368 (1962).
  9. M. I. Nathan, W. P. Dumke, G. Burns, F. H. Dill & G. Lasher, Appl. Phys. Lett. 1, 62-63 (1962).
  10. T. M. Quist, R. H. Rediker et al., Appl. Phys. Lett. 1, 91 (1962).
  11. G. A. Wolff, R. A. Hebert & J. D. Broder, Phys. Rev. 100, 1144 (1955); D. A. Holt, G. F. Alfrey & C. S. Wigglins, Nature 181, 109 (1958).
  12. H. G. Grimmeiss & H. Koelmans, Phys. Rev. 123, 1939 (1961); H.G. Grimmeiss & H. Scholz, Phys. Lett. 8, 233 (1964).
  13. J. Starkiewicz & J. W. Allen, J. Phys. Chem. Solids 23, 881 (1962).
  14. M. Gershenzon & R. M. Mikulyak, J. Appl. Phys. 32, 1338 (1961.
  15. N. Holonyak & S. F. Bevacqua, Appl. Phys. Lett. 1, 82 (1962).
  16. H. G. Grimmeiss and H. Koelmans, Z. f. Naturforsch. 14a, 264 (1959); 15, 799 (1960); H. G. Grimmeiss, H. Koelmans & I.B. Maak, German patent, DBP 1 077 330 (1960).
  17. H. P. Maruska & J. J. Tietjen, Appl. Phys. Lett. 15, 327 (1969).
  18. H. P. Maruska & J. J. Tietjen, Appl. Phys. Lett. 15, 327 (1969).
  19. J. I Pankove, E. A. Miller, D. Richman & J. E. Berkeyheiser, J. Lumin.4, 63, (1971); 8, 89 (1973); H.P. Maruska, D. A. Stevenson and J.I. Pankove, Appl. Phys. Lett. 22, 303 (1973).
  20. M. Sano & M. Aoki, Jpn. J. Appl. Phys. 15, 1943 (1976).
  21. H. G. Grimmeiss & B. Monemar, J. Appl. Phys. 41, 4054 (1970); B. Monemar, Phys. Rev. B 10, 676 (1974).
  22. J. I Pankove, J. Lumin.7, 114 (1973).
  23. 23. A. Y. Cho & J. R. Arthur, Prog. Solid State Chem. 10, 157 (1975).
  24. H.M. Manasevit, F. M. Erdman & W. I. Simpson, J. Electrochem. Soc. 118, 1864 (1971).
  25. S. Yoshida, S. Misawa & S. Gonda, Appl. Phys. Lett. 48, 353 (1956).
  26. H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki & Y. Toyoda, Appl. Phys. Lett. 48, 353 (1986).
  27. K. Hiramatsu et al., J. Crystal Growth 115, 628 (1991).
  28. S. Nakamura, Jpn. J. Appl. Phys. 30, L1705 (1991); S. Nakamura, M. Senoh, & T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys. 30, L1998 (1991).1951).
  29. H. Amano, I. Akasaki, T. Kozawa, K. Hiramatsu, N. Sawaki, K. Ikeda & Y. Ishii, J. Lumin. 40 &41, 121 (1988).
  30. H. Amano, M. Kito, K. Hiramatsu, & I. Akasaki, Jpn. J. Appl. Phys. 28, L2112 (1989).
  31. S. Nakamura, N. Iwasa, M. Senoh, & T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys. 31, 1258 (1992); S. Nakamura, T. Mukai, M. Senoh & N. Iwasa, Jpn. J. Appl. Phys. 31, L139 (1992).
  32. J. I. Pankove, D. E. Carlson, J. E. Berkeyheiser & R. O. Wance, Phys. Rev. Lett. 51, 2224 (1983).
  33. G. F. Neumark Rothschild, US patent 5252499 (1988). (1951).
  34. H. Murakami, T. Asahi, H. Amano, K. Hiramatsu, N. Sawaki & I. Akasaki, J. Crystal Growth 115, 648 (1991).
  35. Nakamura & T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys. 31, L1457 (1992).