Світлодіод: світловипромінюючий діод

Світлодіод, що означає світловипромінюючий діод, є напівпровідниковим діодом, який світиться при подачі напруги. Ці пристрої використовуються повсюдно у вашій електроніці, нових типах освітлення та цифрових телевізійних моніторах.

Як працює світлодіод

Порівняйте, як працює світлодіод, з більш старою лампочкою розжарювання. Лампа розжарювання працює, пропускаючи електрику через нитку розжарювання, що знаходиться усередині скляної колби. Нитка нагрівається і світиться, і це створює світло; але він також створює багато тепла. Лампа розжарювання втрачає близько 98% тепла, що виділяється, що робить її дуже неефективною.

Світлодіоди є частиною нового сімейства технологій освітлення, які називають напівпровідниковим освітленням; Світлодіоди прохолодні на дотик. Замість однієї лампочки у світлодіодній лампі багато маленьких світлодіодів.

Світлодіоди засновані на ефект електролюмінесценції, коли певні матеріали випромінюють світло при подачі електрики. У світлодіодах немає нитки розжарювання, що нагрівається, а висвітлюється рухом електронів у напівпровідниковому матеріалі, зазвичай алюмінієво-галієвому арсеніді. Світло походить від pn-переходу діода. Принцип роботи світлодіода складний, але зрозумілий, якщо досліджувати деталі.

Фон

Електролюмінесценція, природне явище, на якому побудовано світлодіодну технологію, було відкрито у 1907 році британським дослідником радіо та помічником Гульєльмо Марконі Генрі Джозефом Раундом під час експериментів з карбідом кремнію та котячим вусом.

У 1920-х роках російський радіодослідник Олег Володимирович Лосєв вивчав явища електролюмінесценції у діодах, що використовуються у радіоприймачах.У 1927 році він опублікував статтю під назвою «Детектор люмінесцентного карборунду [карбіду кремнію] та виявлення за допомогою кристалів», в якій докладно описав свої дослідження, і хоча в той час на основі його роботи не було створено практичних світлодіодів, його дослідження справді вплинули на майбутніх винахідників.

Через роки, у 1961 році, Роберт Біард та Гері Піттман винайшли та запатентували інфрачервоний світлодіод для Texas Instruments. То був перший світлодіод; однак, оскільки він був інфрачервоним, він знаходився за межами спектра видимого світла. Люди не можуть бачити інфрачервоне світло. За іронією долі, Берд і Піттман лише випадково винайшли світлодіод, коли насправді намагалися винайти лазерний діод.

Бачні світлодіоди

В 1962 Нік Холоньяк, інженер-консультант General Electric, винайшов перший світлодіод видимого світла. Це був червоний світлодіод, і Холоньяк використовував фосфід арсеніду галію як підкладку для діода. Холоньяк заслужив на честь називатися «батьком світлодіодів» за свій внесок. Він також є володарем 41 патенту, а серед інших винаходів - лазерний діод і перший диммер.

В 1972 інженер-електрик Джордж Крафорд винайшов перший світлодіод жовтого кольору для Monsanto, використовуючи в діоді фосфід арсеніду галію. Крефорд також винайшов червоний світлодіод, який був у 10 разів яскравіший, ніж у Холонака.

Monsanto була першою компанією, яка розпочала масове виробництво світлодіодів видимого діапазону. У 1968 році Monsanto випустила червоні світлодіоди, що використовуються як індикатори. Але тільки в 1970-х роках світлодіоди стали популярними, коли Fairchild Optoelectronics почала виробляти недорогі світлодіодні пристрої (менше ніж п'ять центів кожне) для виробників.

1976 року Томас П.Пірсолл винайшов високоефективний та надзвичайно яскравий світлодіод для використання у волоконній оптиці та оптоволоконних телекомунікаціях. Пірсолл винайшов нові напівпровідникові матеріали, які оптимізовані для довжин хвиль передачі оптичного волокна. У 1994 році Сюдзі Накамура винайшов перший синій світлодіод із використанням нітриду галію.

Зовсім недавно, станом на травень 2020 року, Arrow Electronics, фірма зі списку Fortune 500, що надає послуги, пов'язані з електронними компонентами та комп'ютерними продуктами, відзначила останні розробки в галузі світлодіодів:

«…вчені розробили метод, який дозволяє одному світлодіоду відтворювати всі три основні кольори. Це має значення для активних світлодіодних дисплеїв, які зазвичай вимагають від трьох до чотирьох крихітних окремих світлодіодів, розташованих поруч один з одним для відтворення повного спектру. ."

Джерела

• «Сучасний стан світлодіодів: новітні світлодіодні технології». Arrow.com , 31 травня 2020 р.
• Лосєв, ОВ. «Детектор карборунду, що світиться, і виявлення за допомогою кристалів». Лондонський, Единбурзький та Дублінський філософський журнал і науковий журнал, 6 (39), 1024-1044, 1 листопада 1928 doi: 10.1080 / 14786441108564683.

Де винайшли світлодіод

Світлодіоди всюди. Існує ймовірність, що навіть цю статтю про світлодіоди ви читаєте з екрану, який підсвічує один або навіть декілька світлодіодів.

Отже, що таке світлодіод? І як він з'явився? Ми збираємось це з'ясувати!

Визначення світлодіоду

Світлодіод є електронним пристроєм, що складається з двох різних типів напівпровідникового матеріалу.За аналогією з напівпровідниковим матеріалом, що використовується в різних комп'ютерних компонентах, таких як ОЗУ, процесори та транзистори, діоди є пристроями, які дозволяють потоку електрики проходити лише в одному напрямку.

Світлодіод робить те саме: він блокує потік електрики в одному напрямку, дозволяючи йому вільно переміщатися в іншому. Коли електрика як електронів проходить через з'єднання між двома типами напівпровідникового матеріалу, енергія втрачається як світла.

Історія світлодіодів

Створення світлодіода належить російському винахіднику Олегу Лосєву, який продемонстрував світлодіод у 1927 році. Потрібно було майже чотири десятиліття до першого практичного застосування світлодіодів.

Світлодіоди вперше з'явилися у комерційних додатках у 1962 році, коли Texas Instruments випустила світлодіод, який пропускав світло в інфрачервоному спектрі. Ці початкові світлодіоди використовувалися головним чином пристрої дистанційного керування, таких як ранні телевізійні пульти.

Перший світлодіод видимого світла з'явився 1962 року, випромінюючи слабке, але видиме червоне світло.

Ще через одне десятиліття, яскравість світлодіодів збільшиться, а додаткові кольори (в основному жовті і червоно-оранжеві), стануть доступними.

Світлодіоди стали популярні в 1976 році з впровадження високояскравих і високоефективних моделей, які можуть використовуватися в найрізноманітніших сферах, у тому числі в комунікаціях та як індикатори в інструментах.

Зрештою, світлодіоди використовувалися в калькуляторах як числові дисплеї.

Синій, червоний, жовтий, червоно-оранжевий та зелений світлодіодні кольори.

Світлодіоди в кінці 70-х і на початку 80-х років були обмежені лише кількома кольорами: червоні, жовті, червоно-оранжеві та зелені. Хоча в лабораторії можна було виготовляти світлодіоди різних кольорів, вартість виробництва постійно доповнювала спектр кольорів світлодіодів від масового виробництва.

Вважалося, що світлодіод, що виробляє світло у синьому спектрі, дозволить використовувати світлодіоди у повнокольорових дисплеях. Пошук проводився для комерційно життєздатного синього світлодіода, який у поєднанні з існуючими червоними та жовтими світлодіодами міг виробляти широкий спектр кольорів.

Перший синій світлодіод високої яскравості дебютував у 1994 році. Потужні та високоефективні сині світлодіоди з'явилися через кілька років.

Але ідея використання світлодіодів для повнофункціонального дисплея ніколи не заходила надто далеко до винаходу білого світлодіода, що стався незабаром після появи високоефективних світлодіодів.

Хоча ви можете бачити термін LED TV або світлодіодний монітор, більшість цих типів дисплеїв використовують РК-дисплей (рідкокристалічний дисплей) для фактичного компонента дисплея і використовують світлодіоди для підсвічування РК-дисплеїв. Це не означає, що справжні світлодіодні дисплеї недоступні у моніторах та телевізорах із використанням технології OLED (Organic LED); вони просто дуже дорогі, а виробництво їх у великих масштабах дуже важко.

Але в міру того, як виробничий процес продовжує розвиватися, те саме відбувається зі світлодіодним освітленням.

Сфери застосування для світлодіодів

Світлодіодна технологія продовжує розвиватися, у тому числі й сфери, в яких світлодіоди можуть застосовуватись:

• Інфрачервоні світлодіоди використовуються для керування приладами.Перевірте свій пульт телевізора, швидше за все, у верхній частині пульта ви виявите інфрачервоний світлодіод.
• Світлодіоди використовуються як індикатори в приладах. Свого часу широко використовувалися неонові лампи та лампи розжарювання. Тепер світлодіоди, які є ефективнішими, мають довгий термін служби і, як правило, менш дорогі, взяли на себе це використання.
• Світлодіоди використовуються на дисплеях, включаючи буквено-цифрові дисплеї, починаючи від ранніх калькуляторів до годинника, рекламних вивісок та транспортних дисплеїв. І не забувайте, що ваш телевізор та монітор комп'ютера використовують світлодіоди для підсвічування дисплея.
• І, звичайно, ми не можемо забути про освітлення. Світлодіоди знаходяться на шляху до повної заміни ламп розжарювання та інших джерел світла.

656043, Алтайський край, м. Барнаул, вул.Ползунова, д.51 [email protected], [email protected] - відповімо протягом дня

У гонитві за синім світлодіодом

Нещодавно на Хабрі та Гіктаймс з'явилося чимало пізнавальних статей про світлодіодні лампи, їх схемотехніку та виробництво. Розробка їхнього головного компонента – синього світлодіода – зайняла чверть століття, а автори найбільш успішної технології були удостоєні цієї осені Нобелівської премії. Мені хотілося б висвітлити цю історію з боку фізики і розповісти, чому шлях до синіх діодів був такий довгий і тернистий.

Вступ

На Хабрі вже докладно розповідали про основи напівпровідникової електроніки та про те, як працює світлодіод. Стисло нагадаю основні моменти. Якщо подати на p-n перехід пряму напругу, то електрони з n-області та дірки з p-області будуть рухатися назустріч один одному і рекомбінувати, випромінюючи енергію у вигляді фотонів.

Тепер подивимось на зонну діаграму. Додана напруга закидає електрони в зону провідності (відповідно, дірки у валентну зону). Зустрівшись, вони рекомбінують.

Видно, що енергія випромінюваних фотонів приблизно дорівнює ширині забороненої зони. Власне, це і визначає довжину хвилі та колір випромінювання. Так, енергія квантів синього світла більша, ніж червоного – тому для синього світлодіода потрібен напівпровідник із більшою шириною забороненої зони. Історично такі напівпровідники називають широкозонними.

Взагалі кажучи, напівпровідників у світі не так вже й багато, та їх основні властивості добре вивчені. Дуже пізнавальний цей графік (Жорес Алфьоров у своїй Нобелівській лекції називає його «картою світу» напівпровідників):

По горизонталі тут відкладено постійні грати того чи іншого напівпровідника - грубо кажучи, відстань між двома сусідніми атомами в кристалі (до неї ми ще повернемося пізніше). По вертикалі – ширина забороненої зони електронвольтах (эВ). Щоб мати уявлення, людина бачить фотони з енергією від 1.8 еВ (довжина хвилі 700 нм, червоний колір) до 3.1 еВ (400 нм, фіолетовий). Нас цікавлять синьо-фіолетова область, із запасом це приблизно 2.6–3.3 еВ.

Відповідно до визначення, енергії в 1 еВ достатньо, щоб зменшити потенціал електрона на 1 Вольт. І навпаки: якщо ми збільшимо потенціал електрона на 1 Вольт (скажімо, після того, як він пробіжить від «-» до «+» одновольтної батареї), то він отримає енергію 1 еВ. Таким чином, якщо ширина забороненої зони напівпровідника дорівнює 3 еВ (фіолетові LED), то щоб закинути електрон у зону провідності можна збільшити його потенціал на 3 В.Загалом, саме цим визначається робоча напруга на LED, що досягає аж 3–3.5 для синіх/фіолетових діодів.

Як бачимо, у синьо-фіолетову область потрапляють лише три напівпровідники: SiC, ZnSe і GaN. Історично в такому порядку вони й виходили на світлодіодну арену.

1. Карбід кремнію (SiC)

Карбід кремнію чудовий тим, що здатний утворювати безліч кристалічних модифікацій. Вже у 50-х роках це дозволило створювати структури з різною шириною забороненої зони – отже, генерувати випромінювання у різних частинах видимого спектра. Після червоних та жовтих світлодіодів перший синій LED був розроблений у 1969 році. У 80-х вони стали доступними комерційно.

Однак за всіх технологічних успіхів ККД пристроїв не перевищувало 0.03%. Причина була фундаментальною. Щоб зрозуміти її, нам доведеться трохи заглибитись у фізику.

Прямозонні та непрямозонні напівпровідники

Насправді зонна структура напівпровідника виглядає трохи складніше, ніж на малюнку вище. Положення зон (і ширина забороненої зони) залежить від імпульсу електрона в кристалі (тобто фактично від його швидкості). Причому, залежить векторно: як від величини, а й від напрями. В результаті виходить щось таке:

Це зонна структура арсеніду галію. По вертикалі традиційно відкладено енергію. По горизонталі – не вдаючись у подробиці – показано різні можливі значення векторного імпульсу (який ще називають хвильовим вектором або становищем електрона в зоні Бріллюена). Наприклад, електрони в гамма-точці (будь-яка з букв Г на малюнку) мають нульовий імпульс. Заборонену зону для наочності я зафарбував сірим. Тепер дивимося на червону стрілку: електрон із нижньої точки зони провідності падає в верхню точку валентної зони без зміни імпульсу (та сама координата по горизонталі), випромінюючи фотон. Це прямий перехід.

А що ж відбувається у SiC?

Дивимось на жовту стрілку. Електрони з нижньої точки падають не вертикально вниз, а під кутом (непрямий перехід) - отже, вони змінюють свій імпульс. Проблема в тому, що для випромінюваного фотона цей імпульс дуже великий, а закон збереження імпульсу ніхто не скасовував. Потрібна ще одна частка – фонон - здатна компенсувати імпульс електрона. Щоправда, тепер наш процес із двочасткового (електрон — фотон) став тричастинним, що суттєво знизило його ймовірність. Для світлодіода це означає, що з усіх електронів у зоні провідності лише деякі зможуть випромінювати фотон – отже, ми помітно програємо у ККД.

Запитання: а он на малюнку червона стрілочка, з нею все добре?
Відповідь: так, перехід прямий, але його енергія майже 6 еВ (хороший ультрафіолет, очі можна спалити). Для нас це перебір.

Власне, саме непрямий перехід SiC визначив його долю (точніше, її закінчення) в оптоелектроніці. На щастя, ZnSe та GaN виявилися прямозонними напівпровідниками.

2. Селенід цинку (ZnSe)

ZnSe відрізнявся від SiC не тільки розумом та кмітливістю прямим переходом, а й можливістю зростання високоякісних структур широко поширених GaAs підкладках. Проте швидко з'ясувалися й недоліки матеріалу, які виявилися фатальними.

По-перше, постала проблема з виготовленням контактів до діода. Контакти мають бути металевими, а на межі метал-напівпровідник неминуче утворюється бар'єр Шоттки. Біда ZnSe була в тому, що на бар'єрі Шоттки спостерігалося величезне падіння напруги.В результаті робоча напруга діода досягала 10 В замість очікуваних 2.8.

Наступною проблемою виявився тепловідведення. Низька рухливість електронів у ZnSe веде до високого активного опору (і, як наслідок, великого тепловиділення);

Нарешті, найсерйознішою перешкодою виявилася деградація матеріалу в процесі роботи. згоряє через 20 секунд роботи).

Таким чином, долею селеніду цинку стали лише малопотужні сині діоди.

3. Нітрид галію (GaN) та інші III-нітриди

Щоб зрозуміти, чому до GaN діодів повернулися лише в середині 80-х, потрібно згадати, як взагалі виробляють світлодіоди. Тонкі шари напівпровідників (по суті, вся електроніка складніше транзистора) вирощуються епітаксійними Методами. Суть цього слова полягає в тому, що ми облягаємо на поверхню напівпровідника атоми, які лягають не врозріз, а цілком упорядковано - повторюючи і як би продовжуючи вгору кристалічну решітку. (Це просто енергетично вигідно). ідеальний кристал.

Тонкість тут у тому, що ми не можемо почати епітаксию з порожнього місця. підкладка.

Ймовірно, багато читачів Гіктаймс вирощували в дитинстві кристали солі.Потрібно було обв'язати ниткою затравку - крупинку солі - і повісити в соляний розчин. Так ось, монокристали напівпровідників вирощують приблизно так само - очевидно, з компонентів високої чистоти, причому ще обертаючи затравку і повільно витягаючи її вгору. Називається це методом Чохральського. Вирощений циліндр ріжуть на тонкі пластини – майбутні підкладки, потім їх полірують, запаковують у спеціальні чисті контейнери та відправляють на виробництво.

Подальше просто: беремо підкладку з карбіду кремнію, епітаксією вирощуємо на ній карбід-кремнієвий діод. Хоча з ZnSe буде проблема: підкладки із ZnSe виробляються не так широко. Тоді давайте візьмемо GaAs підкладку: судячи з «карти світу» постійні грати GaAs і ZnSe майже однакові (5.66 Å), значить зростання піде добре. Проблема була б якби ми взяли підкладку з карбіду кремнію з постійної решітки близько 3 Å: ZnSe не зміг би повторити такі тісні ґрати через внутрішні напруження (по суті, відштовхування між атомами Zn і Se). Навіть на кремнії (5.4 Å, різниця всього 5%) ростити ZnSe було б проблематично - починаючи з певного шару внутрішня напруга в шарі ZnSe стало б занадто велике, і він захотів би рости зі звичної йому постійної решітки. Перехід від однієї решітки до іншої виглядав би приблизно так:

Тобто, неузгодження решіток веде до появи таких дефектів. А дефекти в оптоелектроніці це дуже погано. Мораль: правильно вибирай підкладку для епітаксії!

Тверді розчини

Візьмемо кристал ZnSe і замінимо всі атоми цинку на магнію. Вийде кристал MgSe, у якого трохи інші постійні грати (атом магнію більше атома цинку) і ширина забороненої зони.А якщо замінити не всі атоми, а тільки деякі? Скажімо, п'ять відсотків? Вийде щось проміжне: форма кристалічних ґрат залишиться колишньою, зате постійні ґрати та заборонена зона будуть десь між ними для ZnSe та MgSe. Така речовина називається твердим розчином ZnSe та MgSe, позначається як Zn_0.95Mg_0.05Se і на карті світу лежить на прямій, що з'єднує ZnSe і MgSe.

Власне, прямі на карті світу показують, для яких пар напівпровідників існують стабільні тверді розчини. Таким чином, керуючи концентраціями компонентів при зростанні, ми можемо підлаштовувати і постійну ґрати, і заборонену зону напівпровідника – а отже, керувати довжиною хвилі випромінювання. Так, додавання індія в GaN дозволяє перейти з ультрафіолету (3.4 еВ) у видиму синю область (2.7-2.9 еВ).

Підкладка для GaN

Тепер зрозуміло у чому цінність «карти світу»: вона дозволяє підбирати тверді розчини для керування довжиною хвилі та відповідні матеріали для підкладки. Що ж, підберемо підкладку для зростання InGaN (так склалося, що GaN підкладки виростити неможливо). Зачекайте, як це немає підходів? Зовсім ні?

SiC близький, але неоптимальний (різниця постійних ґрат 4%) і до того ж дорогий. Через ціну переважно використовувався сапфір.

Власне, відсутність підкладок була причиною, через яку у 80-ті роки всі працювали із селенідом цинку. Вважалося, що якість зростання має стати головним чинником успіху. Практично єдиним винятком була група Ісама Акасакі в Нагойському університеті. До 1986 року вони запропонували хитре вирішення проблеми. Суть була в тому, що на сапфіровій підкладці вирощували кілька проміжних (так званих буферних) шарів GaN.Концентрація дефектів у них була величезною, але зменшувалась від шару до шару. Пізніше Сюдзі Накамура (Nichia Corp.) удосконалив цей процес, використовуючи буфери AlGaN. Вийшла така структура:

В електронному мікроскопі це виглядало приблизно так:

Ліворуч – GaN на сапфірі, праворуч для порівняння ZnSe на GaAs (підкладка GaAs не показана, але судячи з розмірів вона недалеко). Зверніть увагу на масштаб: GaN у півтора рази товщі. Джерела: 1, 2.

Отже, навіть після всіх покращень щільність дислокацій залишалася величезною. А дефекти для оптоелектроніки це не просто погано, а дуже погано: вони чудово захоплюють носії і дозволяють їм рекомбінувати невипромінювально, різко зменшуючи ККД. У цьому різниця між діодом та світлодіодом: зробити p-n перехід не проблема, зробити бездефектний p-n перехід – складне технологічне завдання. Наприклад, GaAs світлодіод з концентрацією дефектів як на картинці свідомо працювати не став би (точніше, став би, але в кращому разі як просто діод).

Тут втрутилася природа: виявилося, що одержаної якості цілком достатньо для нормальної роботи світлодіодів. Причини цього вкрай нетривіальні та не вивчені до кінця. Одна з них – не зовсім звичайна мобільність носіїв GaN: вони не переміщаються на великі дистанції, і тому можуть уникнути зустрічі з дислокацією. Більш того, практично всі дислокації в GaN ниткоподібні, що йдуть від підкладки до поверхні діода. Це накладає деякі обмеження з їхньої властивості, що можна використовувати практично.

Неймовірно, але факт: найбільша проблема нітриду галію раптово виявилася позаду.

Акцептори в GaN

Іншою складністю стало p-легування нітриду галію. На ранніх етапах як акцептора (матеріал для p-легування) використовували магній.Однак отриманий матеріал не поводився як напівпровідник p-типу. Був якийсь невідомий чинник, який давав магнію грати роль акцептора.

Найпростіший спосіб визначити рівень легування – це виміряти опір матеріалу. p- і n-легованих напівпровідників воно низьке через надлишок носіїв (електронів в n-або дірок в p-типі). У чистому напівпровіднику вільних носіїв немає, тому його опір високий.

Примітний наступний епізод. Акасакі зміг показати, що опромінення GaN низькоенергетичним електронним пучком дозволяє вирішити проблему: магній починав поводитися як акцептор. Щоправда, у процесі виробництва матеріал знову переставав проводити. Відбувалося це під час відпалу: структуру витримували при високій температурі в аміаку. Це стандартна процедура, що дозволяє зменшити напругу в кристалічній решітці.

Накамура зауважив, що p-провідність пропадає за температури відпалу вище 400 °З. При цій же температурі починається дисоціація аміаку на азот та водень. А якщо проблема якось пов'язана з воднем? Детальні дослідження показали, що Накамура мав рацію: атомарний водень проникав у структуру, зв'язувався з магнієм і ділився з ним своїм електроном, не даючи відігравати роль акцептора. Відпал в азоті замість аміаку відразу вирішив проблему:

Верхня крива: при відпалі в аміаку вище 400 ° С опір матеріалу різко зростає. В азоті (нижня пряма) такого немає. Джерело.

Пізніше виявилося, що відпал в азоті не просто вирішує проблему з аміаком – він може повністю замінити електронний пучок.Тобто замість того, що робив Акасакі, можна просто відпалити матеріал в азоті: це зруйнує зв'язки магнію з воднем і зробить матеріал p-провідним. Технологічно це було вкрай важливо: обробка великих кристалів електронним пучком – справа нешвидка та недешева.

Happy end

На цьому історія не закінчилася, але основні проблеми було вирішено. Дорогою вдалося зробити чимало цікавого, наприклад, розробити спеціальний реактор для зростання III-нітридів. До 1994 Nichia Corp. почала промислове виробництво синіх InGaN світлодіодів.

Джерела

[1] П. Ю, М. Кардона «Основи фізики напівпровідників» - М.: Фізматліт, 2002. - 560 с.
[2] S. Nakamura, S. Pearton, G. Fasol "The Blue Laser Diode: The Complete Story" - Springer, 2000. - 368 p.
[3] H. Morkoç та ін. J. Appl. Phys. 76, 1363 (1994).
[4] http://www.eurotechnology.com/store/solidstatelighting/
[5] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/ (заголовна картинка теж звідси)

UPD. Дякуємо Mercury13 та jar_ohty за коментарі з приводу аміаку.