Наноэлектронная элементная база информатики на полупроводниках группы АІІІВV. Устройства на ПАВ. Светодиоды. Лазерные диоды

Полупроводниковые светодиоды на "наноэлектронном" этапе развития

Уже на "микроэлектронном" этапе развития видное место в элементной базе информатики заняли светодиоды (англ. light emitting diode, LED) – полупроводниковые диоды, предназначенные для преобразования электрической энергии в световую. Принцип действия светодиода показан на рис. 9.4 слева. Здесь на энергетической диаграмме -перехода вдоль вертикали отложена потенциальная энергия электронов , вдоль горизонтали – координата. Область полупроводника -типа проводимости обозначена внизу через , область полупроводника -типа проводимости – через , область -перехода – через . Через и обозначены соответственно "потолок" валентной зоны и "дно" зоны проводимости, через и – положение уровней Ферми в областях - и -типа в рабочем режиме, когда на светодиод подано напряжение . Через АУ обозначены локальные акцепторные энергетические уровни, через ДУ – локальные донорные уровни, через Д – "дырки", через Э – электроны проводимости.

Когда на светодиод подают рабочее напряжение , уровень Ферми опускается относительно уровня Ферми , потенциальный барьер в области -перехода почти исчезает, и в эту область из -области направляется поток положительно заряженных "дырок" Д, а из -области – поток отрицательно заряженных электронов проводимости Э.

Рис. 9.4. Слева – энергетическая диаграмма, объясняющая принцип работы светодиода. Справа – типичная структура светодиода на "микроэлектронном" этапе развития

В кремниевых -переходах ширина запрещенной зоны составляет эВ, и поэтому излучаются кванты инфракрасного света с длиной волны

( 9.3)

В арсениде галлия = 1,424 эВ, и соответственно излучаются кванты света с длиной волны приблизительно 870 нм – тоже в ближней инфракрасной области спектра. Чтобы излучался видимый свет, ширина запрещенной зоны должна быть больше 1,9 эВ. Поэтому для создания светодиодов, излучающих свет в видимой области спектра, используют такие более широкозонные полупроводниковые материалы, как нитрид галлия (), фосфид галлия (), карбид кремния (), а чаще всего твердые растворы: , и др. Обычно светодиоды излучают квазимонохроматический свет с полушириной спектральной полосы порядка 20-50 нм.

Типичная структура светодиодов на "микроэлектронном" этапе развития показана на рис. 9.4 справа. Свет здесь (он условно показан пунктирными стрелками) излучается из -перехода между слоями - и -типов проводимости. В качестве подложки использовалась пластина монокристаллического арсенида галлия. Для согласования небольшой разницы в периодах кристаллической решетки использовался переходной слой , в котором молярная доля фосфора плавно изменялась от 0 до 0,4. Для формирования омических контактов использовали высоколегированные области - и -типов проводимости.

На рис. 9.4 рассмотрен случай -перехода в , когда светодиод излучает красный свет. При увеличении молярной доли фосфора можно получить более коротковолновый свет: на -переходе в – оранжевый, на -переходе в – желтый, а при использовании -перехода в чистом фосфиде галлия () – зеленый свет.

Поскольку длина волны излучаемого света соответствует ширине запрещенной зоны, то такие фотоны довольно сильно поглощались самим полупроводником, и поэтому наружу выходила лишь часть света. Поскольку область -перехода довольно сильно легирована, то значительная часть энергии терялась при рассеянии электронов проводимости на примесных атомах. И поэтому эффективность светодиодов была относительно невысокой.

Совершенствование методов гетероэпитаксиального наращивания полупроводников при переходе к наноэлектронике создало предпосылки также и для значительного усовершенствования светодиодов. Прежде всего, этому содействовало использование -гетеропереходов. Между слоями относительно широкозонного полупроводника - и -типов проводимости (-ШЗ и -ШЗ) стали эпитаксиально выращивать высокочистый, не легированный слой относительно узкозонного полупроводника (УЗ).

Причину получаемых преимуществ объясняет энергетическая диаграмма на рис. 9.5 слева.

Рис. 9.5. Слева – энергетическая диаграмма, объясняющая принцип работы светодиода на гетероструктуре. Справа – рост эффективности (светоотдачи) светодиодов на "наноэлектронном" этапе развития

В рабочем режиме, когда на светодиод подают напряжение, смещающее -переход в прямом направлении, в области узкозонного полупроводника (УЗ) образуются небольшие потенциальные "ямы" как для электронов проводимости (Э), так и для "дырок" (Д). Поэтому сюда направляются встречные потоки этих носителей противоположного электрического заряда. Отсутствие примесей и других дефектов содействует высокой эффективности их излучательной рекомбинации (Изл). А достаточно большой ток обеспечивается высоким уровнем легирования прилегающих участков широкозонного полупроводника. Излучаемые кванты света имеют энергию, меньше ширины запрещенной зоны широкозонного полупроводника (ШЗ) и потому проходят сквозь него без заметного поглощения.

Все это содействовало тому, что эффективность светодиодов стала быстро возрастать. На рис. 9.5 справа показана динамика роста их светоотдачи в люменах на ватт по годам. Верхний график (1) относится к светодиодам, изготовленным в лабораториях, нижний (2) – к светодиодам, выпускаемым промышленно. Жирными пунктирными линиями показаны уровни светоотдачи ламп накаливания (ЛНак) и более экономных люминесцентных ламп (Люм). Видно, что уже в начале ХХ в. эффективность светодиодов достигла уровня ламп накаливания, а приблизительно в 2008 г. – и уровня люминесцентных ламп.

Если до этого светодиоды использовались в основном как индикаторные лампочки, для построения алфавитно-цифровых индикаторов, информационных табло или для дежурной подсветки, то теперь светодиоды уже стали одними из наиболее эффективных искусственных источников света. Они значительно выигрывают в сравнении с другими источниками не только в долговечности (свыше 100 тыс. часов эксплуатации, миллионы переключений), экологичности, габаритах, но теперь уже и в экономичности. А это – очень весомый экономический фактор: ведь 15-20% всей потребляемой в мире мощности электростанций приходятся на источники освещения и на световую рекламу.

В связи с этим возник вопрос об изготовлении "белых" светодиодов, спектральный состав излучения которых был бы близок к спектральному составу естественного дневного света. Этот вопрос решается двумя путями. Первый заключается в том, что источники света (светильники) составляют из набора светодиодов разных цветов – красного, желтого и синего, – состав которых подбирают так, чтобы получить наиболее благоприятный цветовой состав интегрального белого света. На этом пути уже в 2006 г. удалось создать светодиодные источники белого света с выходом свыше 130 лм/Вт. Второй путь – это создание светодиодов с ультрафиолетовым излучением и последующее преобразование их света в белый с помощью люминофоров, – как в ртутных люминесцентных лампах. В этом направлении все более широкое распространение получают светодиоды на нитриде галлия, ширина запрещенной зоны в котором = 3,4 эВ позволяет излучать кванты света с длиной волны приблизительно 365 нм, соответствующей одной из самых интенсивных ультрафиолетовых линий излучения ртутной лампы. В качестве еще более широкозонного (чем ) материала используют . Возможен также вариант, при котором в качестве широкозонного полупроводника используют нитрид алюминия (), а в качестве узкозонного – . Эффективными акцепторными примесями для являются атомы магния, а донорными – атомы кремния. Такие светодиоды излучают ультрафиолетовый свет с длиной волны приблизительно 210 нм. Для преобразования ультрафиолетового света в белый используют люминофоры, хорошо отработанные при производстве люминесцентных ламп.

Одновременно ведутся поиски по использованию с этой целью таких типов "квантовых точек" (см. "Качественные изменения свойств при переходе к наноразмерным элементам " ), которые позволяют излучать белый свет с еще более высокой эффективностью, чем у традиционных люминофоров. И здесь ведущую роль играют нанокристаллы из полупроводников группы , в которых благодаря малой эффективной массе электронов проводимости квантовыми точками становятся уже нанокристаллы с размерами порядка 10-30 нм.

Высокая яркость светодиодов позволила создавать на их основе не только информационные табло, но и высокоэффективные уличные телевизионные экраны, огромные видеодисплеи, высокохудожествен-ное архитектурное и рекламное освещение и т.п.

Наноэлектронные светодиоды оказались очень эффективными для построения сканеров – устройств, преобразующих изображения (цветные рисунки, фотографии, кино- и фотодокументы, текстовую информацию и т.п.) в цифровые коды того или иного формата. Промышленно выпускаются высокоэффективные и вместе с тем уже весьма компактные сканеры.