Физические основы электроники. Глазачев А.В - 114 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТПУ | Томск

Составители: 

Рубрика: 

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций
114
кристаллов нитрида галлия GaN и селенида цинка ZnSe.
У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (то
есть число излучённых квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твёрдых
растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого
сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.
Исследования свойств нитридов элементов группы III (AlN, GaN, InN) и их сплавов, представ-
ляющих собой широкозонные полупроводники с прямыми оптическими переходами, позволили за-
ключить, что они являются наиболее перспективными материалами для изготовления светодиодов,
излучающих во всей видимой и ультрафиолетовой (240...620 нм) областях спектра.
Основной причиной, препятствовавшей получению высококачественных пленок GaN, было от-
сутствие подходящих подложек, параметры решётки и коэффициент теплового расширения которых
соответствовали бы GaN. Долгое время такие плёнки выращивали на сапфире (рассогласование реше-
ток 13,5%), достоинствами которого являются лишь термическая стойкость и возможность очистки
перед началом роста. Другая проблема – получение кристаллов p-типа. Первые работы в этом направ-
лении были начаты ещё в 60е годы XX века, однако все попытки надёжно внедрить элементы группы
II (Mg, Zn, Be) как примеси замещения, которые бы действовали как акцепторы, завершились неуда-
чей. Впоследствие в разработке синих светодиодов участвоали отечественные и зарубежные ученые.
Первый коммерческий синий светодиод был сделан Шуджи Накамурой (Shuji Nakamura) (Nichia
Chemical Industries, Япония) в начале 1994 года на основе гетероструктуры InGaN/AlGaN с активным
слоем InGaN, легированным Zn (рис. 6.30). Выходная мощность составляла 3 мВт при прямом токе 20
мА с квантовым выходом 5,4% на длине волны излучения 450 нм. Вскоре после этого за счёт увеличе-
ния концентрации In в активном слое был изготовлен зелёный светодиод, излучавший с силой света 2
кд. Он состоит из 3нм активного слоя InGaN, заключённого между слоями p–AlGaN и n–GaN, выра-
щенными на сапфире. Такой тонкий слой InGaN сводит к минимуму влияние рассогласования решё-
ток: упругое напряжение в слое
может быть снято без образо-
вания дислокаций и качество
кристалла остаётся высоким.
В 1995 году при ещё меньшей
толщине слоя InGaN и более
высоком содержании In удалось
повысить силу света до 10 кд на
длине волны 520 нм, а кванто-
вую эффективность до 6,3%,
причём измеренное время жиз-
ни светодиодов составляло
50000 ч, а по теоретическим
оценкам – более 106 тысяч ча-
сов (~150 лет!).
На сегодняшний день внешний квантовый выход излучения светодиодов на основе GaN и его
твёрдых растворов (InGaN, AlGaN) достиг значений 29/15/12% соответственно для фиолето-
вых/голубых/зелёных светодиодов; их светоотдача достигла значений 30...50 лм/Вт. Внутренний кван-
товый выход для «хороших» кристаллов с мощным теплоотводом достигает почти 100%, рекорд
внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих 35%. Внешний
квантовый выход излучения жёлтых и красных светодиодов на основе твёрдых растворов AlInGaP
достиг значений 25...55%, а светоотдача соответственно достигла 100 лм/Вт, т.е. сравнялась со свето-
отдачей лучших современных люминесцентных ламп.
Создание синих светодиодов сделало возможным получение светодиодов белого свечения. Су-
ществует четыре способа получения белых светодиодов, каждый из которых имеет свои достоинства и
недостатки:
Смешение излучения светодиодов трёх или более цветов. На рис. 6.31 белый свет получается пу-
тем смешивания в определённой пропорции излучения красного, зелёного и синего светодиодов. Для
каждого из светодиодов можно подобрать значения тока, соответствующие максимуму его внешнего
квантового выхода излучения (число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару «электрон
– дырка»). Однако при этих токах и напряжениях интенсивности каждого цвета не будут соответство-
Сапфировая
подложка
4 мкм
0,15 мкм
0,15 мкм
0,15 мкм
0,5 мкм
n-электрод
p-электрод
p-GaN
p-Al
0,15
Ga
0,94
N
Слой p-In
0.6
Ga
0,94
N,
легированный Zn
n-Al
0,15
Ga
0,85
N
n-GaN
б
а
Рис. 6.30. Синий светодиод (а) на основе нитрида галлия и его структура (б)

Страницы