Введение:Светоизлучающие диоды:Эволюция приборов на основе ZnSe:Заключение | |
Прорыв Ш. Накамуры29 ноября 1993 года, когда компания "Nichia Chemical Industries Ltd." 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 Ш. Накамурой, молодым исследователем из "Nichia", кто собственно и создал голубые диоды. Но после появления столь сенсационного заявления все хотели узнать, кто такой Ш. Накамура и что представляет собой эта компания. Когда Накамура поступил на работу в "Nichia", его первым заданием было получение металлического Ga высокой чистоты. Справившись с ним, он переключился на выращивание монокристаллов GaAs и InP. Но когда компания попыталась выйти с продукцией на рынок, она не смогла конкурировать с таким гигантом, как "Sumitomo Electric". Следующим заданием было получение эпитаксиальных пленок для изготовления светодиодов. Но и в этом случае "Nichia" не выдержала конкуренции с корпорацией "Toshiba". В итоге 10 лет ушло на получение металлов высокой чистоты, полупроводниковых соединений и пленок, но ни одно из этих направлений не привело к коммерческому успеху. Но теперь Накамура получил возможность решать самому, чем заниматься дальше, и выбрал создание сине-зеленых светодиодов. Зная, что главной проблемой является получение подходящих материалов, а хорошим методом их выращивания - MOCVD, он поехал для его освоения в университет штата Флорида (США). После посещения множества светодиодных конференций, Накамура вспоминал: "Большинство университетов и компаний, в частности в Японии, работали с ZnSe. Но я уже имел горький опыт, что если занимаешься тем же, что делает кто-либо еще, то, когда доходит до выпуска продукции, оказывается, что ты не можешь ее продать. И я решил выбрать другой материал. Накамура хорошо осознавал проблему рассогласования решеток, но для него важнее всего было то, что эта область не привлекала внимания больших компаний. Открытие Акасаки оказалось фантастически удачным. После возвращения из Флориды в 1989 году На камура построил свою установку MOCVD и начал работать над проблемой буферного слоя. Он решил не копировать подход Акасаки (осознавая возможные проблемы с патентованием) и вместо AlN использовал GaN. Он получил зеркальную поверхность, а измерив электрические характеристики, обнаружил, что GaN даже лучше: подвижность носителей тока оказалась выше. Узнав о важном достижении Акасаки по получению материала р-типа, Накамура быстро воспроизвел этот результат, но при этом заметил, что облучение образца электронным потоком приводило к небольшому его нагреву, и предположил, что наблюдавшийся эффект мог быть просто результатом влияния температуры. Подвергнув образец отжигу в атмосфере азота, он обнаружил, что его сопротивление понизилось, и таким образом выяснил, что эффект был не следствием обработки пучком электронов, а результатом прогрева. Позже оказалось, что получению проводимости p-типа препятствовало влияние атомарного водорода из MOCVD-процесса, который легко диффундировал в объем кристалла и образовывал нейтральные комплексы с Mg, подавляя акцепторный эффект. Другой ключевой проблемой было получение высококачественных пленок InGaN для использования в качестве активного слоя. Накамура усовершенствовал метод MOCVD, введя два раздельных потока газов: главный, переносящий с высокой скоростью параллельно подложке смесь компонентов реакции - триметилгаллия (CH3)3Ga и аммиака NH3 , источников Ga и N - в потоке газа, носителя молекулярного водорода, и вспомогательный, направленный перпендикулярно подложке, переносящий неактивный газ N2 , который изменяет направление главного потока и приводит активный газ в контакт с подложкой. Роль вспомогательного потока очень важна: без него не может быть получена непрерывная пленка и на подложке образуются отдельные островки. Теперь он мог регулировать количество In в нанесенном материале в процессе роста, изменяя скорость потока и температуру подложки. Наличие In в активном слое является причиной образования глубоких локализованных состояний, в которых движение электрона ограничено в трех измерениях (как в квантовых точках), что приводит к некоторым эффектам. Во-первых, дополнительное квантование ведет к уменьшению плотности электронных состояний, так что для получения оптического усиления требуется меньшая концентрация инжектированных носителей тока, а во-вторых, квантование делает это усиление анизотропным относительно одного из направлений поляризации. Располагая своими более совершенным процессом обработки и уже апробированным методом выращивания хороших пленок на сапфире, Накамура не сомневался, что выиграет гонку у своего соперника: "Я был уверен, так как в Японии, когда конкурируют университетский профессор и компания, компания обычно выигрывает, потому что университеты за короткое время не могут достать много денег". Свой первый синий светодиод Накамура изготовил 28 марта 1991 года, но какое у него могло быть время жизни? Он оставил его включенным, когда уходил домой, а после бессонной ночи, придя рано утром в лабораторию, увидел, что диод еще светит. И хотя излучение было не очень ярким, это была победа. Два с половиной года спустя после многочисленных улучшений к моменту появления знаменитого объявления Накамура изготовил диоды, излучавшие с силой света 1000 мккд, а еще через шесть месяцев компания объявила о выпуске 2000-мккд диода, который излучал настолько ярко, что на него больно было смотреть. Первый коммерческий синий светодиод был сделан Накамурой в начале 1994 года на основе гетероструктуры InGaN / AlGaN с InGaN активным слоем, легированным Zn (рис. 4, а). Выходная мощность составляла 3 м‚т 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 (рис. 4, б ). Он состоит из 3-нм активного слоя In0,2Ga0,8N, заключенного между слоями p-AlGaN и n-GaN, выращенными на сапфире. Такой тонкий слой InGaN сводит к минимуму влияние рассогласования решеток: упругое напряжение в слое может быть снято без образования дислокаций и качество кристалла остается высоким. Здесь слой InGaN образует одиночную квантовую Яму [6], 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 5*104 ч (измеренное), а по теоретическим оценкам - более 106 (~150 лет!).
Рис. 4. Слоистые структуры, используемые для изготовления светодиодов: а - светодиод с двойной гетероструктурой, б - структура зеленого светодиода с одиночной квантовой ямой
|
|
<< Назад | Вперед >> |