Линейки точечных полупроводниковых светодиодов и их применение для печатающих устройств

ВВЕДЕНИЕ

 

Светодиоды - (электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией. О светодиодах опубликовано много статей, сделаны тысячи докладов на конференциях, написаны сотни диссертаций, патентов и научных отчетов, изданы десятки брошюр и несколько книг. Все это обусловлено бурным развитием физики и технологии светодиодов - важнейшего направления в современной полупроводниковой электронике и оптоэлектронике, широко применяющегося в промышленности и обещающего новые применения в ближайшем будущем. Особенно стоит отметить период с середины 90-х гг. ХХ в., когда в физике и технике полупроводников произошел прорыв благодаря созданию гетероструктур на основе нитрида галлия и его твердых растворов. Эффективные светодиоды, разработанные на основе этих материалов, перекрыли коротковолновую часть видимого спектра - от ультрафиолетовой до желтой области. Одновременно существенно улучшилась и эффективность светодиодов на основе гетероструктур и других полупроводниковых соединений типа AIIIBV- от желто-зеленой до ближней инфракрасной области. Как следствие, светодиоды стали перспективными источниками света не только для сигнализации, отображения и передачи информации, но и для общего освещения, а также стали применяться для печатающих устройств. То, что казалось фантастикой и далекой перспективой, стало реальностью.

Целью курсового проекта является изучение  линейных светодиодов.

Задачи работы: исследовать технологии создания полупроводниковых светодиодов и изучить их сферы применения.

 

1 ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ СВЕТОДИОДОВ

 

Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони. Лабс Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл - карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил жёлтое, зелёное и оранжевое свечение на катоде.

Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены в 1923 году О. В. Лосевым, который, экспериментируя в Нижегородской радиолаборатории с выпрямляющим контактом из пары карборунд - стальная проволока, обнаружил в точке контакта двух разнородных материалов слабое свечение - электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» ещё не существовало). Это наблюдение было опубликовано, но тогда весомое значение этого наблюдения не было понято и потому не исследовалось в течение многих десятилетий.

Лосев показал, что электролюминесценция возникает вблизи спая материалов. Теоретического объяснения явлению тогда не было. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Им были получены два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.)

В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода.

Первый в мире практически применимый светодиод, работающий всветовом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в Университете Иллинойса для компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд, изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т. Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, специально адаптированный к передаче данных по волоконно-оптическим линиям связи.

Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около 200 $ за штуку), их практическое применение было ограничено. Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

Интересно, что вплоть до начала 1970-х годов американскими учёными светодиоды назывались Losev light- «свет Лосева». Со временем название Losev light упоминалось реже и реже, и постепенно забылось.

 

2 ПРИНЦИП РАБОТЫ СВЕТОДИОДОВ

 

При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда - электроны и дырки - рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой). Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

Диоды сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. Советский жёлтый светодиод КЛ 101 на основе карбида кремния выпускался ещё в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

 

3 КЛАССИФИКАЦИЯ СВЕТОДИОДОВ

 

В корпусе светодиода может находиться один (однокристальные светодиоды) или несколько кристаллов (многокристальные светодиоды, или матрицы).

Современные светодиоды (СД) можно условно разделить на несколько основных групп по потребляемой мощности и рабочему диапазону токов: индикаторные, сверхъяркие и мощные.

Индикаторные СД - компактные светодиоды, имеющие относительно небольшую силу света (до 100 мкд). Рабочий диапазон тока около 20 мА. Они обычно выпускаются в стандартном корпусе с выводами (диаметр основания 3 или 5 мм). В основном такие светодиоды применяются в оптических индикаторах.

Сверхъяркие СД обычно собираются на полупроводниковых кристаллах малого и среднего размера (от 200×200 до 500×500 мкм) и имеют высокие световые характеристики (сила света до 10 кд, средний световой поток в белом цвете порядка 20–30 лм и более). Рабочий диапазон токов от примерно 20 до 150–200 мА. Могут быть выполнены в стандартном корпусе с выводами (диаметр основания 3, 5 или 10 мм) или в корпусе для поверхностного монтажа (SMD-светодиоды). Стоит заметить, что сверхъяркие светодиоды занимают промежуточное положение между индикаторными мощными, и четкую границу здесь на самом деле провести достаточно трудно.

Сверхъяркие СД имеют широкий спектр применений - световая реклама, дорожные светофоры и указатели, автомобильная светотехника, экраны, мобильные телефоны и т. д.

Мощные СД имеют самые большие размеры кристаллов и наибольшие значения световой отдачи (более 50 лм/Вт для белого цвета). Потребляемая мощность в номинальном режиме (ток 350 мА) составляет около 1 Вт. Допускается применение при токах 500, 700, 1000 мА и выше. Повышение рабочего тока позволяет увеличить световой поток. Выпускаются в корпусе для поверхностного монтажа (SMD-корпусе). Основным применением мощных светодиодов является различное осветительное оборудование.

Отдельно стоит остановиться на светодиодных модулях. СД-модули представляют собой сборку из многих кристаллов, соединенных в последовательно-параллельные цепочки на одной плате. Выпускаются в виде плат с контактами для пайки и отверстиями для крепления. Могут иметь встроенные драйверы питания на плате. Основным их применением является также осветительное оборудование.

В последнее время светодиоды стали классифицировать и по применению. Стоит несколько слов сказать о новом понятии, введенном западными производителями, - светодиоды для освещения (LightingClass LED). Эти светодиоды должны удовлетворять определенным требованиям к световому потоку и цветовой температуре. В частности, как декларируется ведущими производителями, световой поток таких светодиодов не должен снижаться более чем на 30% от начального значения за 50 000 часов работы, а также изменение цветовой температуры не должно быть визуально заметно.

3.1 Светодиоды на основе структур AIIIBV: от GAAS до ALINGAP

 

В 50–70-е годы XX в. началось промышленное производство первых светодиодов на основе полупроводниковых материалов типа AIIIBV - арсенида галлия (GaAs), фосфида галлия (GaP) и их твердых растворов. Диапазон длин волн излучения этих светодиодов занимал область от инфракрасного до желто-зеленого диапазона (приблизительно 560–570 нм). Во второй половине 70-х гг. и в 80-е годы началось производство светодиодов на основе четверных растворов AlInGaP. Длины волн этих светодиодов занимают красный и желтый диапазоны видимого спектра, светодиоды имеют высокий квантовый выход и в настоящее время используются для получения красного, оранжевого и желтого цвета.

Существенный вклад в развитие данного направления внесли советские ученые. Жорес Иванович Алферов, академик Российской академии наук (РАН), директор Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, лауреат Ленинской премии, получил золотую медаль Американского физического общества за исследования гетероструктур на основе AlGaAs еще в 70-х гг. прошлого века. В 2000 г., когда стало ясно, насколько велико значение этих работ для развития науки и техники, насколько важны их практические применения для человечества, ему была присуждена Нобелевская премия.

Но стоит начать рассказ о данном этапе развития технологии светодиодов по порядку. Эра полупроводниковых соединений типа АIIIВV началась в 50-х гг. Поскольку полупроводниковые материалы данного типа являются искусственно созданными, их до этого времени просто не существовало. Современные полупроводники рассматриваемой группы обладают очень хорошими оптическими характеристиками, и для изготовления светодиодов на их основе применяются многие из современных технологий.

В 1954 г., после того как научились получать из расплавов монокристаллы GаАs, начался бум исследований полупроводниковых соединений типа АIIIВV. Монокристаллы разрезались, а получаемые пластины полировались и использовались в качестве подложек для формирования на них методами эпитаксии из жидкой фазы (жидкофазной эпитаксии, ЖФЭ) и эпитаксии из газовой фазы (газофазной эпитаксии, ГФЭ) полупроводниковых структур c p-n-переходом. В 1962 г. появилось сразу несколько публикаций о создании инфракрасных светодиодов в диапазоне длин волн 870–980 нм и GаАs-лазеров. Серийный выпуск первых GаАs-светодиодов был налажен Texas Instruments Corporation в начале 1960-х гг. Это были светодиоды инфракрасного диапазона оптического спектра, с длиной волны излучения 870 нм.

В начале 60-х гг. научный коллектив, в состав которого входили известные ученые из IBM Thomas J. Watson Research Center, расположенного в Йорктаун Хейтс в часе езды к северу от Нью-Йорка, такие как Джерри Вудалл, Ганс Руппрехт, Манфред Пилкухн, Маршалл Натан и др., провел большую исследовательскую работу по созданию светодиодов на основе GаАs и АlGаАs и изучению их характеристик. Работы данного коллектива ученых были направлены на создание светодиодов видимого диапазона оптического спектра. Для этого были выбраны два материала: GаАsР и АlGаАs. Тогда же научились выращивать эпитаксиальные АlGаАs-слои на прозрачных GаР-подложках, что дало возможность создать светодиоды видимого диапазона оптического спектра.

Начало истории светодиодов видимого диапазона оптического спектра датируется 1962 г., когда Холоньяк и Бевака в журнале AppliedPhysicsLetters опубликовали свое сообщение о когерентном излучении видимого света, наблюдаемом на p-n-переходе GаАsР. Хотя это свечение было обнаружено при низкой температуре, оказалось, что GаАsР-светодиоды работают и при комнатной температуре. Выпуск первых светодиодов на основе GаАsР был начат General Electric Corporation (GE) в начале 60-х гг. Они излучали свет в красной области видимого оптического спектра. Их выпустили совсем мало, и они использовались в основном в любительской радиоэлектронике.

Серийный выпуск таких светодиодов был налажен Monsanto Corporation. В 1968 г. эта компания построила завод, на котором стали изготавливать сравнительно недорогие GаАsР-светодиоды. Этот год можно назвать началом эры твердотельных излучателей. Продажи таких светодиодов в период 1968 - 1970 гг. стремительно росли, удваиваясь каждые несколько месяцев. Светодиодные кристаллы, выпускавшиеся Monsanto Corporation, представляли собой GаАsР - p-n - структуры, выращенные на GаАs-подложках, излучающие фотоны с длиной волны, соответствующей красному диапазону видимого спектра.

Прямые и непрямые межзонные переходы, так же как и высокая плотность дислокаций, ограничивают яркость GаАsР-светодиодов. В настоящее время структуры GаАsР/GаАs используются в основном для изготовления светодиодов красного свечения, обладающих невысокой яркостью, применяемых в качестве индикаторных ламп. Применение таких светодиодов в программируемом калькуляторе показано на рисунке 1.

Рисунок 1 - Индикаторные светодиоды на основе GaAsP красного цвета свечения в дисплее программируемого калькулятора

Светодиоды на основе АlGаАs/GаАs-структур инфракрасного диапазона широко используются в системах дистанционного управления аудио - и видеотехникой, а также в локальных сетях связи. А АlGаАs/GаАs-светодиоды красного свечения не только являются светодиодами видимого диапазона оптического спектра, но и обладают повышенной яркостью. К тому же их квантовый выход излучения выше, чем у GаАsР/GаАs-светодиодов красного свечения, но ниже, чем АlInGаР/GаАs-диодов .

Первые GаР-светодиоды красного и зеленого свечения были созданы группой ученых под руководством Ральфа Логана в BellLaboratories в Мюррее Хилл (Нью-Джерси) в середине 70-х гг. В те годы полупроводниковые материалы уже применялись для создания как биполярных, так и полевых транзисторов, используемых в электронных схемах в качестве ключей и усилителей. Именно тогда инженеры и исследователи осознали, что полупроводники являются лучшими материалами для изготовления излучающих устройств.