Современные светодиоды

История создания светодиодов голубого, зеленого и белого свечения на основе р-п-переходов в InGaN

После того как группа Панкова закончила изучение пленок GaN, работы по созданию GaN-светодиодов были остановлены. В 1982 г. GaN была посвящена только одна статья. Однако Исаму Акасаки и его коллеги из Нагойи (Япония) этих работ не прекратили и в 1989 г. продемонстрировали первый светодиод GaN со слоем p-типа, обла­дающий реальной проводимостью p-типа. Стойкие акцепторы магния активировались при помощи облучения электронным пучком (Amano et al., 1989) [3]). Позднее было показано, что активировать примеси магния в слоях GaN можно также в процессе высокотемпературного отжига готовых пленок (Nakamura et al., 1994а). Дополнительное легирование (Schubert et al., 1996) позволяет улучшать эффективность активации глубоких акцепторов. Этот прорыв в выращивании легированных слоев p-типа открыл путь к созданию светодиодов с р-п-переходами и лазерных диодов. В настоящее время на основе пленок GaN, легированных магнием, изготавливают все светодиоды и лазерные диоды, содержащие нитриды.

В 1992 г. Акасаки опубликовал статью о создании первого свето­диода из GaN с гомогенным р-п-переходом (Akasaki et al., 1992)! Све­тодиод излучал свет в ультрафиолетовом (УФ) и синем спектральном диапазонах и был выращен на сапфировой подложке: Он был проде­монстрирован на конференции по GaAs и другим полупроводниковым материалам, проходившей в 1992 г. в г. Карусава (Японии). К. п. д. данного светодиода составлял ~ 1%. Это была очень большая величина для GaN, выращенного на сапфировой подложке с сильно отличаю­щимися параметрами решетки. Было также показано, что на кванто­вый выход нитридных светодиодов не влияет большая концентрация дислокаций, в отличие от светодиодов, изготовленных из арсенидов и фосфидов.

Название японской компании Nichia Chemical Industries Corporation (NCIC) тесно связано с светодиодами и лазерами из GaN. 0. Ее сотруд­ники, включая Шуджи Накамуру, внесли большой вклад в развитие технологии выращивания GaN и изготовления на его основе светоди­одов и лазеров. Они разработали двухпоточную систему выращивания GaN методом металлоорганической ГФЭ (МОГФЭ), продемонстрирова­ли первые светодиоды InGaN голубого и зеленого свечения с двойными гетероструктурами (Nakamura et al., 1993а, 1993b, 1994b), к. п. д ко­торых достиг 10%, изготовили первые импульсные лазеры и лазеры непрерывного излучения InGaN/GaN, работающие при комнатной тем­пературе в голубой области спектра (Nakamura et al., 1996). Подробное описание достижений компании NCIC приведено в книге Накамуры и Фазола (Nakamura, Fasol, 1997) 2).

На рис. 1.11 показаны светоди­оды голубого свечения, изготовлен­ные компанией NCIC, а рис. 1.12 посвящен самому распространенно­му применению InGaN светодиодов зеленого свечения, обладающих вы­сокой яркостью, — в дорожных све­тофорах. Как указывалось раньше, светодиоды GaP:N зеленого свече­ния из-за своей низкой яркости для этих целей не подходят.

В 1990 г., когда Накамура занялся разработкой светодиодов из GaN в компании NCIC, он был 36-летним инженером без ученой

’) Фирма Nichia начинала работы по GaN в поисках ультрафиолетового возбуждения люминофоров, работы по эффективным голубым светодиодам были инициированы Ш. Накамурой.

степени, без единой публикации и выступления на конференциях (Nakamura, Fasol, 1997). В конце 1990-х гг. он уже стал профессором Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и консультантом компании Cree Lighting Corporation, основного конкурента NCIC. В своей книге (Nakamura, 2001) Накамура жестко критиковал NCIC и японское общество: «Что-то не в порядке с этой страной. Промышленность и университеты в ней ужасно больны...»

Оказалось, что система InGaN/GaN также подходит для получения светодиодов белого свечения. Существует несколько подходов к изго­товлению таких светодиодов. Один из них основан на использовании люминофоров, преобразующих длину волны (Nakamura, Fasol, 1997), другой на применении полупроводниковых преобразователей длин волн (Guo et al., 1999). Ожидается, что в ближайшем будущем произойдет большой прорыв в области создания и использования светодиодов белого свечения, поскольку по световой отдаче они вполне могут кон­курировать с обычными лампами накаливания и люминесцентными ис­точниками. В то время как световая отдача традиционных источников света составляет 15-100 лм/Вт, у светодиодов белого свечения она может достигать 300 лм/Вт. )