История создания светодиодов из GaN

October 8, 2011 by admin Комментировать »

 

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 RCAв 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

 

Рис. 1.9. Программируемые карманные калькуляторы: модель SR-56 кампании TexasInstrumentsCorporationи модель НР-67 кампании Hewlett-PackardCorporation. Год выпуска обоих калькуляторов —1976. В их дисплеях использовались семисегментные индикаторы, сделанные на светодиодах GaAsP. SR-56 обладал огромной по тем временам программной памятью — 100 шагов, а HPбыл оснащен магнитным устройством ввода данных и имел несколько программируемых клавиш

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 GaAsPи 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 GaAsPкрасного свечения методом металло-галогеновой ГФЭ (МГГФЭ) и хорошо знал об опасностях при работе с полупроводниковыми материалами типа АIIIВv, содержащими фосфор. Так, в 1968 г. произошло самовозгорание мусоровоза на дороге почти сразу же после загрузки фосфорсодержащих отходов из лаборатории RCAв 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 GaNМаруська 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 GaNиспользовалась реакция аммиака с жидким галлием, протекающая при повышенной температуре. Для подложки Маруська выбрал сапфир из-за его прочности и инертности к аммиаку. К сожалению, он неправильно истолковал данные Лоренца и Бинковски, опубликованные в 1962 г., о разложении GaNв вакууме при температуре ~600 °С, и для предотвращения этого свои первые пленки GaNвыращивал при температурах ниже 600 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 монокристаллической пленки GaNс очень гладкой поверхностью (Maruska, Tietjen, 1969).

Исследование этой пленки показало, что без всякого легирования она обладает проводимостью n-типа, и для получения р-n-перехода требовалось подобрать соответствующую примесь р-типа. Маруська думал, что для этих целей хорошо подойдет цинк, применяемый при работе с GaAsи GaP. Однако оказалось, что при высоких концентрациях цинка пленки GaNстановятся диэлектриками, а не проводниками р-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 RCAв 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 (Pankoveetal., 1970a, 1970b). Летом 1971 г. RCAвпервые опубликовала сообщение о явлении электролюминесценции, наблюдаемом на образце из пленки GaN (Pankoveetal., 1971a). Исследуемый образец, состоявший из сильно легированного цинком слоя GaNс 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 (Pankoveetal., 1971b, 1972). Такой диод со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) был первым светодиодом из GaN, излучающим зеленый и голубой свет.

Рис. 1.10. Голубое излучение, наблюдавшееся в 1972 г., происходило в результате рекомбинации электронно-дырочных пар в высокоомной структуре из GaN, легированного Siи Mg (Maruska, 2000)

Затем в RCAпредположили, 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 (Maruskaetal., 1972). Такие светодиоды со структурой МДП используют и в настоящее время. В своей книге (Maruskaetal., 1973) Маруська подробно описал весь процесс разработки светодиодов из GaN. Следует отметить, что пленки GaN, даже легированные магнием, не обладают проводимостью р-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 RCAпредложили 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; Maruskaetal., 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) .

Источник:

 Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — 2-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с. – ISBN 978-5-9221-0851-5.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты