Светодиоды. Классификация

В конце 1960-х годов была разработана технология получения GаР-пластин из расплавов при высоких температурах и давлениях. Из таких пластин при помощи резки формировались подложки, какие используются и в настоящее время. При легировании GаР изоэлектронными примесями, содержащими N, такими как GаN, были изготовлены светодиоды зеленого свечения, КПД которых превысил 0,6% [3]. Хотя внешний квантовый выход светодиодов зеленого свечения меньше, чем у светодиодов красного свечения, восприимчивость человеческого глаза к зеленому цвету в 10 раз выше, чем к красному, поэтому кажущаяся (субъективная) яркость обоих типов светодиодов является сравнимой [3]. Светодиоды на основе GaP получили достаточно широкое распространение и применялись в основном в качестве индикаторов в бытовой технике, системных блоках и мониторах персональных компьютеров. На рис. 2 показан телефон, где для освещения коночной панели используются светодиоды на основе GaP желто-зеленого цвета свечения.

  
 
Рис. 2. Использование светодиодов на основе GaP желто-зеленого цвета свечения для освещения кнопочной панели телефона

Над разработкой светодиодов видимого диапазона оптического спектра с КПД, превышающим КПД GаАsР-светодиодов, трудились и другие компании, такие как IBM, RCA и GE [3]. Следует отметить, что в 1960-х гг. монохроматические цвета получались в основном при фильтрации света от ламп накаливания, поэтому свечение светодиодов, обладающих узкой спектральной линией излучения, казалось наблюдателям действительно очень чистым.

Система материалов на основе АlInGаР подходит для получения яркого свечения в красном (626 нм), оранжевом (610 нм) и желтом (590 нм) спектральных диапазонах и в настоящее время является основной системой для изготовления светодиодов повышенной яркости, излучающих свет в данном интервале длин волн. Такая система материалов была разработана в Японии для лазеров, работающих в видимом диапазоне оптического спектра [3]. Поскольку ширина запрещенной зоны InGаР составляет около 1,9 эВ (650 нм), этот материал может использоваться для изготовления светодиодов и лазеров, излучающих свет в красной области видимого спектра [3]. Такие лазеры применяются, например, в лазерных указках и DVD-проигрывателях. На рис. 3 показан пример применения красных светодиодов на основе InGaP в дисплее электронных наручных часов.

  
 
Рис. 3. Наручные электронные часы с индикаторными светодиодами на основе GaAsP красного цвета свечения

Добавление Аl к активной области InGаР позволяет сместить излучение в сторону более коротких длин волн, захватывая оранжевый и желтый спектральные диапазоны. Однако (AlxGa1-x)0,5In0,5P при х ≈ 0,53 становится непрямозонным полупроводником, что приводит к сильному снижению его КПД на длинах волн, меньших или равных 600 нм. Следовательно, этот материал не подходит для изготовления высокоэффективных светодиодов, излучающих свет с длинами волн ниже 570 нм [3].

Первые АlInGаР-лазеры появились в начале 80-х гг., а развитие АlInGаР-светодиодов началось в конце десятилетия. В отличие от АlInGаР-лазеров, в структуру светодиодов обычно входят слои растекания тока, которые вводятся для того, чтобы светилась только плоскость р-n-перехода, но не область, расположенная ниже верхней части омического контакта [3]. Дальнейшие усовершенствования АlInGаР-светодиодов были связаны с созданием в активной области, состоящей из нескольких квантовых ям, распределенных отражателей Брэгга и технологии изготовления прозрачных GаР-подложек [3, 15]. Светодиоды на основе структур AlInGaP получили достаточно широкое распространение и применялись не только для индикации, но и в отображении информации. На рис. 4 показаны различные применения таких светодиодов: в информационных панелях и табло, бегущих строках, светофорах и т. д.

  
 
Рис. 4. Примеры применений светодиодов на основе AlInGaP-структур желтого и красного цвета свечения

Светодиоды на основе структур AIIIBV: GaN и его твердые растворы

Для создания светодиодов более коротковолнового излучения, в синей и зеленой области, нужно было найти материал с более высоким значением ширины запрещенной зоны. Таким материалом стал GаN.

Исследования, начатые в 30–40-х гг. XX в. в Принстонском университете США, были продолжены в лаборатории компании RCA [3]. Для получения данного материала использовали реакцию аммиака с жидким галлием, протекающую при повышенной температуре. В качестве подложки для выращивания структур GaN выбрали сапфир (Al2O3). Исследование пленок из этого материала показало, что без всякого легирования он обладает проводимостью n-типа, и для получения р-n-перехода требовалось подобрать соответствующую примесь р-типа [3, 16]. Сначала решили, что для этих целей хорошо подойдет цинк, применяемый при работе с GаАs и GаР. Однако оказалось, что при высоких концентрациях Zn GаN-пленки становятся диэлектриками, а не проводниками р-типа. Причина этого была в том, что не удавалось активировать акцепторы Zn для создания p-типа проводимости [3, 16].

В январе 1970 г. в работу по созданию светодиодов на основе пленок из GаN в лаборатории RCA включился Жак Панков. Он занялся исследованием процессов оптического поглощения и фотолюминесценции в тонких GаN-пленках. Летом 1971 г. было опубликовано сообщение о первом явлении электролюминесценции, наблюдаемом на образце из пленки GаN. Эти МДП-структуры стали первыми светодиодами на основе GaN. Исследуемый образец, состоявший из сильно легированного цинком GаN-слоя с двумя поверхностными электродами, излучал свет голубого цвета с длиной волны 475 нм. После этого Панков с коллегами создали структуру из нелегированного GаN-слоя (слоя n-типа), слоя сильно легированного Zn (диэлектрического слоя) и поверхностного контакта из In. Такой диод со структурой металл–диэлектрик–полупроводник (с МДП-структурой) был первым светодиодом на основе GаN, излучающим свет зеленого и голубого цвета [3, 16].

В дальнейшем технологи заменили цинк магнием. В результате этого удалось получить структуру, излучающую свет в голубом и фиолетовом диапазоне — с длиной волны 430 нм. Следует, правда, отметить, что полученные исследователями в 70-х гг. пленки GaN, легированные магнием, не обладали проводимостью p-типа, а также являлись диэлектриками, поэтому люминесценция в них протекала либо за счет инжекции неосновных носителей, либо за счет ударной ионизации диэлектрических слоев структуры в сильном электрическом поле [3, 16, 17]. К сожалению, такие светодиоды обладали очень низким квантовым выходом и эффективностью, поэтому работы по GaN были приостановлены почти на десять лет.

После того как группа Панкова закончила исследования по изучению GаN-пленок, работы по созданию GаN-светодиодов были остановлены, поскольку такие светодиоды обладали очень низкой эффективностью.

В 80-х гг. работ по GaN в Европе и США практически не было. Но их продолжали вести исследователи в Советском Союзе и Японии.

В начале 80-х гг. приоритетными были работы исследователей из МГУ им. М. В. Ломоносова — Г. В. Сапарина и М. В. Чукичева — по активации люминесценции в GaN, проводившиеся на физическом факультете [16, 18–20], и работы исследовательской группы В. Г. Сидорова в Ленинградском политехническом институте (ныне Санкт-Петербургский технический университет) [21]. Очень близки к получению материала с устойчивой проводимостью p-типа были в 1982 г. Сапарин и Чукичев, которые показали, что можно активировать акцепторы при облучении структур GaN электронным пучком.

В конце 80-х гг. работы были продолжены в Японии. В 1989 г. Исаму Акасаки и Хироши Амано с коллегами из Университета Нагойи продемонстрировали первый светодиод на основе GaN со слоем p-типа проводимости. Чуть позднее, в 1992 г., они опубликовали статью о создании первого светодиода на основе GaN с гомогенным p-n-переходом [3, 16, 22, 23]. Данный светодиод излучал свет в ультрафиолетовом и синем спектральном диапазонах. Стойкие акцепторы магния активировались при облучении структур GaN электронным пучком; возможность этого в GaN-структурах с акцепторами цинка показали в своих работах исследователи из МГУ им. М. В. Ломоносова в начале десятилетия. Дополнительное легирование p-слоя GaN позволяет улучшать эффективность активации глубоких акцепторов [1, 16, 22, 23].

Буквально через год сотрудники японской компании Nichia Chemical во главе с Шуджи Накамурой, разработав новую систему выращивания GaN методом металлоорганической газофазной эпитаксии и предложив более технологичный способ активации акцепторов магния путем высокотемпературного отжига, получили первые светодиоды синего, голубого (рис. 5) и зеленого (рис. 6) цвета свечения [3, 16, 24, 25]. Светодиоды эти были изготовлены на основе гетероструктур GaN и его твердых растворов InGaN и AlGaN голубого и зеленого цвета свечения, КПД этих светодиодов достигал 10% [16, 26].

  
 
Рис. 5. Светодиоды на основе InGaN/GaN-гетероструктур голубого цвета свечения

  
 
Рис. 6. Применение зеленых светодиодов на основе InGaN/GaN-гетероструктур в светофорах

Исследователи фирмы Nichia показали также, что кристаллы на основе GaN и его твердых растворов подходят для получения светодиодов белого свечения. Был предложен метод использования люминофоров, преобразующих длину волны синего свечения кристалла в желто-зеленое свечение [3, 16]. Как результат сложения сигналов в указанных диапазонах получается белый цвет свечения.

Полученные результаты дали импульс развитию работ во всем мире. Первые светодиодные структуры на основе GaN исследовались разными группами ученых в различных институтах, университетах и исследовательских центрах США, в странах Азии и Европы, в том числе и в России [1, 27, 28]. Первые структуры, несмотря на указанный достаточно высокий квантовый выход, содержали большое количество примесей и дефектов [1, 2, 16, 27, 28], что снижало их эффективность. В спектрах синих светодиодов при низких значениях прямого тока наблюдалась туннельная полоса под действием сильных электрических полей в активной области, обусловленных флуктуацией потенциала и кулоновскими полями примесей [16, 27]. Аналогичные туннельные составляющие наблюдались и на вольт-амперных характеристиках [16, 27]. При обратном напряжении, равном примерно 3Eg, в структурах синих светодиодов наблюдался ионизационный пробой и ударная ионизация, при которых также отмечалось свечение [16, 28]. В спектрах наблюдалась широкая полоса в диапазоне энергии квантов 2,2–2,3 эВ, что соответствовало «желтой полосе» дефектов в GaN, связанной с донорно-акцепторными парами и/или двойными донорами [16, 28].

Вслед за компанией Nichia технологию выращивания светодиодных кристаллов на подложках из сапфира (Al2O3) стали применять и другие компании. Развитие шло довольно быстрыми темпами. Постепенно концентрации дефектов и дислокаций в структурах уменьшались, тем самым улучшалось их качество. На сегодня многие компании выпускают светодиодные кристаллы на основе гетероструктур GaN и его твердых растворов, выращенных на подложках Al2O3, синего цвета свечения, с КПД порядка 40–45%.

Кроме технологии выращивания гетероструктур GaN и его твердых растворов на подложках Al2O3, существует альтернативная технология выращивания данных структур на подложках из карбида кремния (SiC). Компания Cree, основанная в 1987 г. как производитель полупроводниковых материалов на основе SiC, начала активные исследования по разработке светоизлучающих структур GaN и его твердых растворов на SiC-подложках в начале 90-х гг. прошлого века. С 2005 г. две компании — Nichia и Cree — обеспечивают более 80% мирового производства кристаллов синего и зеленого излучений. При этом Cree традиционно использует технологию эпитаксиального выращивания GaN на SiC-подложках, а Nichia Corporation — на подложках из Al2O3.

Технология выращивания GaN на SiC имеет ряд принципиальных преимуществ перед технологией GaN на сапфире. Во-первых, SiC обладает на порядок большей теплопроводностью (3,8 Вт/см·К у SiC против 0,3 Вт/см·К у Al2O3). Это упрощает решение проблемы отвода тепла от активной области кристалла (p-n-перехода), являющейся ключевой для кристаллов с токами более 100 мА. Во-вторых, кристаллическая решетка 6H-SiC обладает лучшим, по сравнению с сапфиром, сродством с GaN, что принципиально снижает концентрацию дефектов и дислокаций в структуре GaN и повышает квантовый выход кристаллов [16, 29]. В-третьих, SiC, являясь полупроводником, позволяет разрабатывать на своей основе кристаллы с вертикальным механизмом протекания тока, что приводит к уменьшению сопротивления структур и снижению величины рабочего напряжения и, как следствие, снижению потребляемой мощности.

Для нового семейства кристаллов, разрабатываемого компанией Cree с 2004 г., удалось добиться отличных показателей эффективности. Квантовый выход кристаллов малого размера (приблизительно 0,3×0,3 мм) составил 55–75%, а у больших кристаллов (1×1 мм) типичный квантовый выход равен 40–55%. Кроме того, за счет вертикального протекания тока и улучшения контактной системы удалось получить прямое падение напряжения на кристалле при номинальном токе на 20% ниже, чем у других производителей [16, 29].

Новое семейство кристаллов имеет ряд принципиальных технологических отличий, как, например, стравливание части SiC-подложки, толщиной до 0,035 мм, через маску с образованием линзовой системы, которая обеспечивает собирание светового потока с поверхности структуры и формирует стандартную кривую силы света, что упрощает нанесение люминофора на кристалл при производстве СД белого цвета свечения [16, 29]. Применение новой контактной системы позволило увеличить площадь поверхности излучения до 90%, а параллельное соединение перемычек контактов катода дополнительно вдвое снизило потери проводимости при повышенных значениях плотности [16, 29].

Мощные светодиоды

В 2003 г. компанией Lumileds, образованной за несколько лет до этого корпорациями Philips и Hewlett Packard, был сделан первый мощный светодиод Luxeon I со световым потоком более 25 лм и световой отдачей более 20 лм/Вт. Светодиоды Luxeon I сразу превзошли по световой отдаче лампы накаливания почти в два раза, что позволило начать говорить о светодиодах как о новых и эффективных источниках света.

Одной из основных особенностей корпуса мощного светодиода является теплоотводящее основание, на которое осуществляется монтаж кристалла. Чаще всего кристалл монтируется в отражатель, находящийся на данном основании. Объем отражателя со смонтированным в нем полупроводниковым кристаллом заполняют оптическим гелем. Это, с одной стороны, увеличивает коэффициент вывода излучения из кристалла за счет большего соответствия показателей преломления, а с другой — позволяет кристаллу и проволочным контактам не повреждаться при тепловом расширении под действием выделения тепла вследствие протекания электрического тока.