Современные светодиоды

История создания светодиодов из GaAsP и GaP, легированных оптически активными примесями

Первые светодиоды из GaP красного и зеленого свечения были созданы группой ученых под руководством Ральфа Логана в Bell Lab­oratories в Мюррей Хилл (Нью-Джерси) в начале 1960-х г. В те годы полупроводниковые материалы уже применялись для создания бипо­лярных 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.

Логан в 2000 г. писал, что он заинтересовался проблемой созда­ния светодиодов этого типа после появления первых публикаций о получении р-тт.-переходов в GaP (Allen et al., 1963, Grimmeiss, Scholz, 1964), излучающих свет красного цвета, который можно наблюдать невооруженным глазом даже в условиях дневного освещения. Перехо­ды Гриммейсса-Шольца были получены путем легирования подложки p-типа GaP примесью п-типа — оловом.

GaP относится к непрямозонным полупроводникам, в которых веро­ятность межзонных переходов, происходящих с сохранением импульса, пренебрежимо мала, поэтому излучательная рекомбинация в них про­ходит, как правило, через примесные центры. На рис. 1.5 показана зонная диаграмма GaP, из которой видно, что основные точки сим­метрии для экстремумов зоны проводимости и валентной зоны в про-

странстве импульсов не совпадают. Введение в GaP оптически актив­ной изоэлектронной примеси, например азота, позволяет значительно повысить вероятность излучательной рекомбинации в полупроводнике (Thomas et al., 1965) за счет создания этой примесью в запрещенной зоне промежуточного энергетического уровня, с которого электрону гораздо легче рекомбинировать с дыркой. Из GaP, легированного та­кими примесями, были созданы светодиоды, работа которых основана на соотношении неопределенностей Гейзенберга. В данном случае принцип Гейзенберга выражается в том, что примесь со строго локали­зованной волновой функцией в пространственной системе координат, т. е. обладающая малой неопределенностью координаты Дх, будет рас­полагаться на энергетическом уровне в пространстве квазиимпульсов с большой неопределенностью Ар = TiAk. Наличие таких «глубоких» примесных центров повышает вероятность оптических переходов 0.

а б

История создания светодиодов из GaAsP и GaP, легированных оптически активными примесями

Рис. 1.5. Система координат в реальном пространстве (а) и в пространстве квазиимпульсов (б). Светодиоды на основе GaP, легированного оптически ак­тивными примесями, например N или О, излучают свет в красной или зеленой областях видимого оптического диапазона

Для формирования светодиодов GaP использовались пластины с по­перечными размерами 0,5 см х 1 см и толщиной 1 мм, выращенные из раствора, содержащего галий и фосфор. Такой способ получения струк­тур GaP позволил избежать проблемы, связанной с необходимостью создания избыточного давления паров фосфора во время выращивания GaP при высокой температуре. Никому из лаборатории Белл не удалось сразу же воспроизвести результаты Гриммайсса и Шольца. Однако это содействовало расширению исследовательских работ в области электролюминесценции в лабораториях Bell AT&T.

При выращивании пластин GaP из раствора в качестве легирую­щих примесей использовали цинк и кислород, который получался из ОагОз. О том, что обычный атмосферный воздух содержит достаточное количество серы, являющейся примесью n-типа, догадались не сразу. При таком выращивании пластин оказалось, что в компенсированных

растворах слои п-типа формируются только на одной стороне пластин, т. е. р-н-переходы располагаются под поверхностью подложки GaP. Это и было объяснением результатов Гриммейсса. Логан сразу же опубли­ковал данные своих исследований (Logan et al., 1967 а).

Логан (Logan et al., 1967 b) описал технологию изготовления эф­фективных светодиодов из GaP, разработанную под его руководством, которая заключалась в формировании слоев GaP п-типа на подлож­ках GaP размером 2,5 х 2,5 см2, легированных цинком и кислоро­дом, которые получали методом шлифовки из больших пластин, вы­ращиваемых из растворов. В этой же работе Логан отметил, что отжиг структур после выращивания в диапазоне 400-725 °С позволяет существенно повысить к. п. д. светодиодов, сделав его больше 2%. Считается, что при отжиге происходит диффузия цинка в группы атомов кислорода, в результате чего повышается плотность изоэлек - тронных комплексов Zn-O, способствующих увеличению электролюми­несценции.

В конце 1960-х гг. была разработана технология получения пластин GaP из расплавов при высоких температурах и давлениях. Из таких пластин при помощи резки формировались точно такие же подложки, какие используются в настоящее время. При легировании GaP изо- электронными примесями, содержащими азот, такими как GaN, были изготовлены светодиоды зеленого свечения, к. п. д. которых превысил 0,6% (Logan et al., 1968, 1971). Хотя внешний квантовый выход свето­диодов зеленого свечения меньше, чем светодиодов красного свечения, восприимчивость человеческого глаза к зеленому цвету в 10 раз выше, чем к красному, поэтому оба типа светодиодов имеют сравнимую ка­жущуюся (субъективную) яркость.

Над разработкой светодиодов видимого диапазона оптического спектра с к. п. д. выше, чем у светодиодов из GaAsP, трудились и другие компании — IBM, RCA и GE. В IBM работы по созданию све­тодиодов из GaP проводились в исследовательском центре им. Томаса Дж. Уотсона в Йорктаун Хейте (шт. Нью-Йорк). Манфред Пилкун и его коллеги продемонстрировали работу светодиода из GaP красного свечения, легированного цинком и кислородом, выращенного методом ЖФЭ. На рис. 1.6 показана фотография такого светодиода с верхним и нижним контактами. В статье, опубликованной в IBM Research Journal, было гордо заявлено, что данный светодиод излучает «изуми­тельный красный свет». Здесь следует отметить, что в 1960-х гг. моно­хроматические цвета в основном получались при фильтрации света от ламп накаливания, поэтому свечение светодиодов, обладающих узкой спектральной линией излучения, казалось наблюдателям действитель­но очень чистым — «изумительным».

Активная область светодиода GaP Пилкуна была легирована одно­временно и донорами, и акцепторами. В роли акцептора выступал цинк, а донорами были теллур, сера или селен, поэтому излучение генериро­валось преимущественно за счет рекомбинации донорно-акцепторных

История создания светодиодов из GaAsP и GaP, легированных оптически активными примесями

Рис. 1.6. Светодиод GaP, выращенный методом ЖФЭ, р-п-переход которо­го легирован цинком и кислородом, излучает «изумительный» красный свет

(Pilkuhn, 2000)

пар. Энергия излучаемых фотонов при этом была ниже значения ши­рины запрещенной зоны. Было также обнаружено, что легирование светодиодов GaP цинком и кислородом приводит к значительному сдвигу длины волны излучения, поэтому они излучают в красном диапазоне спектра (Foster, Pilkuhn, 1965). Кислород, введенный в GaP, не является ни мелким донором, ни акцептором, но создает глубокий донорный уровень —см., например, (Pilkuhn, 1981) 0.

Логан и его коллеги, а также вся команда AT&T сразу осознали широкие перспективы применения светодиодов, особенно в телефонии. Например, в 1960-х гг. очень модным и престижным считался телефон марки «Princess». Этот телефон предназначался для использования в спальне и отличался тем, что его панель загоралась, как только его вынимали из держателя. Для подсветки панели применялись индика­торные лампы, работающие от 110 В. Для замены этих ламп при их выходе из строя каждый раз приходилось звонить в сервисную служ­бу. При смене индикаторных ламп на светодиоды удалось избавиться от дополнительного источника питания 110 В, поскольку для новых элементов достаточно было напряжения телефонной сети и к тому же срок службы светодиодов из GaP при использовании в телефонии превышал 50 лет, т. е. был намного дольше, чем у индикаторных ламп. Такое усовершенствование привело к значительному снижению себестоимости телефонов компании Bell или просто «Ма Bell» (так в те
годы называлась компания AT&T) при одновременном повышении их надежности.

Еще более значительным стало применение светодиодов в многока­нальных телефонных системах. Эти системы стояли в больших офисах, использовались в основном секретарями и операторами, индикаторные лампы в них указывали на состояние вызываемой линии: занята она или свободна. Для переключения телефонных линий и индикаторных ламп 110 В применяли дистанционные переключатели, от которых к каждому телефонному аппарату тянулось множество проводов. Уста­новка и обслуживание таких систем были очень дорогими. В современ­ных многоканальных системах, выполняющих те же функции, вместо ламп используют светодиоды, питающиеся от напряжения телефонной сети, а электронные микросхемы, размещающиеся внутри телефонных трубок, управляют переключением линий и индикаторов. При этом резко понизилась стоимость производства, установки и обслуживания таких систем.

Поскольку эффективность светодиодов из GaP зеленого и красного свечения непрерывно улучшалась, руководство лаборатории Белл при­няло решение об организации их производства в Пенсильвании.

Обычно на телефонные линии подается постоянное напряжение ~ 40 В и ток несколько миллиампер. Только от замены индикаторных ламп на светодиоды удалось снизить управляющее напряжение при­близительно на 2 В и одновременно улучшить качество индикации на телефонных аппаратах. Многие модели телефонов стали оснащаться клавиатурами с зеленой подсветкой кнопок, обычно выбираемой ди­зайнерами. На рис. 1.7 показана модель такого телефона кампании AT&T 1990 года марки «Trimline». Светодиоды красного и зелено­го свечения нашли применение и в многоканальных телефонных си­стемах.

История создания светодиодов из GaAsP и GaP, легированных оптически активными примесями

Рис. 1.7. Телефон компании AT&T марки «Trimline» с подсветкой кно­пок, выполненной на двух светоди­одах GaP зеленого свечения. Это было одним из первых примений светодиодов GaP зеленого свече­ния, легированных азотом

Если будете в Мэррей Хилл (шт. Нью-Джерси) и посетите му­зей лаборатории Белл, Вы сможете сами увидеть много исторических технических экспонатов, в том чис­ле светодиод GaP:N зеленого свече­ния, разработанный Логаном.

В корпорации Монсанто для по­лучения свечения в красном, оран­жевом, желтом и зеленом диапазо­нах длин волн применялось леги­рование GaAsP азотом (Groves et al., 1971, Craford et al., 1972, Duke, Holonyak, 1973). Там же изучали характеристики материалов — эмис­сию, поглощение излучения с раз­ными длинами волн, растворимость

азота в GaAsP и GaP. Для выращивания требуемых слоев применялся метод ГФЭ, поскольку только он позволял легировать азотом область в окрестности р-п-перехода, что давало возможность снижать погло­щение излучения прилегающими к р-п-переходу слоями, т. е. повышать к. п. д. светодиодов (Groves et al., 1977, 1978 а, 1978 b). В настоящее время GaP:N используют для изготовления светодиодов зеленого све­чения, обладающих довольно низкими световыми характеристиками, которые применяют в качестве индикаторов.

Другими областями применения светодио­дов стали цифровые дисплеи для карманных калькуляторов и наручных часов. Первые часы с цифровым дисплеем были выпущены корпо­рацией Hamilton в 1972 г. Они вызвали насто­ящий фурор в обществе, и только очень высо­кая стоимость сдерживала их распространение.

На рис. 1.8 показаны часы Pulsar с цифровым дисплеем и встроенным калькулятором, появив­шиеся в 1975 г.

На рис. 1.9 изображены два программиру­емых калькулятора, выпускавшиеся в середине 1970-х гг.: SR-56 компании Texas Instruments и НР-67 фирмы Хьюлетт-Паккард. В сегмент­ных дисплеях обоих устройств использованы светодиоды GaAsP красного цвета; недостатком обоих калькуляторов было трудное считывание информации в условиях яркого внешнего осве­щения, поскольку свечение светодиодов очень слабое. Кроме того, такие дисплеи потребляли довольно большую электрическую мощность.

Те же проблемы были и у наручных часов. Жидкокристаллические дисплеи (ЖКД), разра­ботанные в конце 1970-х, требовали гораздо меньшей мощности, поэтому к началу 1980-х они практически полностью вытеснили дисплеи на светодиодах.

Современные светодиоды

Світ світла — сучасні LED світильники для дому та двору

Для освітлення будинку та двору все рідше використовуються звичні лампи розжарювання та люмінесцентні лампи. З колишніх позицій їх швидко витісняють лед світильники. І це закономірно, адже вони мають цілу низку …

Особенности многоламповых подвесных светильников

Современные многоламповые подвесы сегодня применяются при обустройстве пространств в различных интерьерах для создания эстетического и функционального освещения. Они привлекают своим необычным внешним видом и способностью создавать приятную атмосферу, гармонично вписываясь …

Энергоэффективные светодиодные панели: современное освещение для офиса

В современном мире энергосбережение и экологичность становятся всё более важными аспектами при выборе осветительных решений для офисов. Одним из наиболее эффективных и популярных вариантов являются светодиодные панели. Эти устройства обеспечивают …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов оборудования:

Внимание! На этом сайте большинство материалов - техническая литература в помощь предпринимателю. Так же большинство производственного оборудования сегодня не актуально. Уточнить можно по почте: Эл. почта: msd@msd.com.ua

+38 050 512 1194 Александр
- телефон для консультаций и заказов спец.оборудования, дробилок, уловителей, дражираторов, гереторных насосов и инженерных решений.