Современные светодиоды

История создания светодиодов из GaN

Компания Радиокорпорация Америки (RCA) в конце 1960-х гг. выпустила одной из первых цветной телевизор на основе электронно­лучевой трубки (ЭЛТ) с тремя электронными пушками. Джеймс Тайт- джен, работающий в одной из основных лабораторий RCA в Принстоне (шт. Нью Джерси), возглавлял в те годы отдел по исследованию ма­териалов. Его мечтой была разработка телевизора с плоским экраном, который можно было бы повесить на стену как картину. Для создания

2 Ф. Е. Шуберт

полного цветного изображения такой экран должен состоять из крас­ных, зеленых и синих пикселей. К тому времени уже были разработаны технологии изготовления красных и зеленых светодиодов на основе Ga­AsP и GaP:N, поэтому для создания плоских ТВ-мониторов оставалось найти способ получения светодиодов с ярким голубым свечением.

В мае 1968 г. Тайтджен поручил молодому сотруднику своей группы Полу Маруська разработать метод выращивания монокристаллических пленок GaN, из которых по его предположению можно будет изгото­вить светодиоды голубого свечения. К тому времени Маруська уже имел опыт получения светодиодов GaAsP красного свечения методом металло-галогеновой ГФЭ (МГГФЭ) и хорошо знал об опасностях при работе с полупроводниковыми материалами типа AmBv, содержащи­ми фосфор. Так, в 1968 г. произошло самовозгорание мусоровоза на дороге почти сразу же после загрузки фосфорсодержащих отходов из лаборатории RCA в Принстоне. Водитель грузовика решил немедленно вернуть опасный груз его хозяевам и высыпал горящий и дымящийся мусор прямо на газон перед зданием лаборатории (Maruska, 2000).

Работу с GaN Маруська начал с посещения лаборатории Принстон­ского университета, где изучил все старые публикации, касающиеся этого материала, с 1930 г. по 1949 г. (Juza, Hahn, 1938). Для получения порошка GaN использовалась реакция аммиака с жидким галлием, протекающая при повышенной температуре. Для подложки Маруська выбрал сапфир из-за его прочности и инертности к аммиаку. К со-

жалению, он неправильно истолковал данные Лоренца и Бинковски, опубликованные в 1962 г., о разложении GaN в вакууме при тем­пературе ~ 600 °С, и для предотвращения этого свои первые пленки GaN выращивал при температурах ниже 600 °С,- в результате чего они получались не моно-, а поликристаллическими. И лишь в марте 1969 г. Маруська понял, что в аммиачной среде процессы роста слоев преобладают над процессами их разложения, и повысил температуру в тигле до 850 °С, при которой обычно формировались слои GaAs. По окончании процесса выращивания казалось, что сапфировая подложка осталась непокрытой, но Маруська помчался в аналитическую лабора­торию RCA, где при помощи камеры Лауэ для рентгеновского анализа кристаллов на ней удалось обнаружить тонкий слой прозрачной моно - кристаллической пленки GaN с очень гладкой поверхностью (Maruska, Tietjen, 1969).

Исследование этой пленки показало, что без всякого легирования она обладает проводимостью n-типа, и для получения р-п-перехода требовалось подобрать соответствующую примесь p-типа. Маруська думал, что для этих целей хорошо подойдет цинк, применяемый при работе с GaAs и GaP. Однако оказалось, что при высоких концентра­циях цинка пленки GaN становятся диэлектриками, а не проводниками p-типа (Maruska, 2000).

В 1969 г. Жак Панков находился в творческом отпуске, в течение которого он работал в Берклеевском университете, где писал учеб­ник по оптическим процессам в полупроводниках. Вернувшись в RCA в январе 1970 г., он немедленно включился в работу по созданию светодиодов на основе пленок из GaN. Панков занялся исследованием процессов оптического поглощения и фотолюминесценции в тонких пленках GaN (Pankove et al., 1970a, 1970b). Летом 1971 г. RCA впервые опубликовала сообщение о явлении электролюминесценции, наблюдаемом на образце из пленки GaN (Pankove et al., 1971a). Исследуемый образец, состоявший из сильно легированного цинком слоя GaN с двумя поверхностными электродами, излучал голубой свет с длиной волны 475 нм. После этого Панков с коллегами создали структуру из нелегированного слоя GaN (n-типа), слоя, сильно леги­рованного цинком (диэлектрического слоя), и поверхностного контакта из индия (Pankove et al., 1971b, 1972). Такой диод со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) был первым светодиодом из GaN, излучающим зеленый и голубой свет.

Затем в RCA предположили, что магний лучше, чем цинк, и начали выращивание методом МГГФЭ пленок GaN, легированных магнием. В результате этого в 1972 г. удалось получить структуру (рис. 1.10), излучающую голубое и фиолетовое свечение, центральная длина волны которого составляла 430 нм (Maruska et al., 1972). Такие светодиоды со структурой МДП используют и в настоящее время. В своей кни­ге (Maruska et al., 1973) Маруська подробно описал весь процесс раз­работки светодиодов из GaN. Следует отметить, что пленки GaN, даже
легированные магнием, не обладают проводимостью p-типа, поэтому люми­несценция в них протекает за счет либо инжекции неосновных носите­лей, либо ударной ионизации диэлек­трических слоев структур в сильном электрическом; поле. Панков и груп­па ученых из RCA предложили мо­дель, описывающую принцип действия таких устройств, основанную на удар­ной ионизации и туннельном эффек­те Фаулера-Нордхейма, параметры ко­торых практически не зависят от темпе­ратуры (Pankove, Lampert, 1974; Marus­ka et al., 1974a, 1974b). К сожалению, такие светодиоды обладали очень низ­кой эффективностью, поэтому Тайджен, начавший эту работу, сам же ее и остановил. Об этом вспоминал Маруська в своей книге (Maruska,

2000) 0.