Введение:Эволюция приборов на основе ZnSe:Прорыв Ш. Накамуры:Заключение

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 контактов. Величина Eg определяет минимальную энергию, необходимую для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Когда ток протекает в прямом направлении, электроны проходят через переход со стороны n-полупроводника, а дырки - со стороны p-полупроводника, в результате чего в области p-n - перехода происходит излучательная рекомбинация с образованием фотонов с энергией Eg. Этот процесс реализуется лишь в так называемых прямозонных полупроводниках, отличающихся особой зонной структурой (дно зоны проводимости и потолок валентной зоны расположены при одном значении волнового вектора), в которых интенсивность прямых оптических переходов значительно превосходит интенсивность непрямых.

Рис. 1. Схема и энергетическая диаграмма полупроводникового светоизлучающего диода. EF - уровень Ферми

Величины Eg для полупроводников, излучающих в видимой и прилегающих к ней областях спектра, приведены на рис. 2. Как видно, чтобы создать светодиоды или лазерные диоды, работающие в видимой области спектра, необходимо использовать материалы с шириной запрещенной зоны > 2 эВ.

Долгое время массовое производство светодиодов ограничивалось приборами, излучающими в красной и инфракрасной областях спектра. Светодиоды изготавливали на основе арсенида галлия GaAs и его твердого раствора AlGaAs. Первые зеленые светодиоды делали из фосфида галлия GaP, а синие - из карбида кремния SiC. Однако эти материалы характеризуются непрямой зонной структурой, вследствие чего получается излучение слабой интенсивности.

Рис. 2. Зависимость ширины запрещенной зоны Eg различных полупроводниковых соединений от длины химической связи (межатомного расстояния), которая оказывает основное влияние на величину Eg. Заметим, что соединения группы II-VI имеют постоянные решетки GaAs. Для наглядности приведены спектр видимого излучения и постоянные решетки некоторых распростроненных подложек

Укажем некоторые применения светодиодов, а также лазерных диодов, излучающих в различных областях спектра [1-4].

  1. увеличение емкости накопителей на компакт-дисках (CD) и цифровых видеодисках (DVD). Так как плотность записи ~1/λ2, то лишь за счет замены красного лазерного диода на фиолетовый с уменьшением длины волны излучения λ в 2 раза объем памяти возрастает в 4 раза (с 4,7 до 15 Гбайт);
  2. создание полноцветных дисплейных экранов. Комбинируя InGaN, AlGaN и GaAlAs-светодиоды, можно получить любой участок видимого спектра с качеством, превосходящим известный телевизионный стандарт NTSC (рис. 3, а);
  3. в устройствах отображения информации, уличных светофорах, системах аварийного оповещения и т.д. (рис. 3, б );
  4. в цветных лазерных принтерах высокого разрешения;
  5. в системах связи на основе волоконно-оптических линий;
  6. в производстве экономичных осветительных устройств с заменой обычных люминесцентных ламп и ламп накаливания.

Но для получения высокой интенсивности излучения нужны прямозонные материалы. Анализ возможных кандидатов показал, что имеются два класса перспективных полупроводников: соединения элементов групп III-V - нитриды и групп II-VI - халькогениды (см. рис. 2).

Попытки реализовать синие и зеленые светодиоды и лазеры начались более 20 лет назад и были связаны с использованием кристаллов нитрида галлия GaN и селенида цинка ZnSe, но возникли трудности в синтезе и легировании этих материалов (обычно их получают в виде эпитаксиальных пленок). Для выращивания пленок используют два технологических подхода: метод молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE - Molecular Beam Epitaxy) в условиях сверхвысокого вакуума и метод осаждения пленок из металлоорганических соединений (MOCVD - Metalorganic Chemical Vapor Deposition) [5]. 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.

 

<< Назад Вперед >>