История создания светодиодов красного и инфракрасного свечения из GaAsи AlGaAs

October 28, 2011 by admin Комментировать »

К 1950-м гг. полупроводниковые материалы типа АIIВVI, а также SiC, были уже довольно хорошо изучены, поскольку это материалы, встречающиеся в природе. Поэтому не случайно, что первые светодиоды были изготовлены из SiCв 1907 г., а в 1936 г. появилась публикация о создании французским ученым Ж. Дестрио светодиодов на основе кристаллов ZnS (Destriau, 1936).

Эра полупроводниковых соединений типаAIIIBV       началась в 50-х

гг. после опубликования работ Велькера (Welker, 1952, 1953) Поскольку полупроводниковые материалы данного типа созданы искусственно, их до этого времени просто не существовало. Современные полупроводники рассматриваемой группы обладают хорощими оптическими характеристиками, и для изготовления светодиодов на их основе применяются многие из современных технологий.

В 1954 г., когда уже научились получать из расплавов монокристаллы GaAs, начался бум исследований полупроводниковых соединений типаAIIIBV.                            Монокристаллы разрезали, а получаемые пластины полировали и использовали в качестве подложек для формирования на них методами жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) и газофазной эпитаксии (ГФЭ) полупроводниковых структур с р-n-переходом. В 1962 г. появилось сразу несколько публикаций о создании инфракрасных светодиодов (870-980 нм) и лазеров из GaAs (Pankove, Berkeyiieiser, 1962; Pankove, Massoulie, 1962; Halletai., 1962; Nathanetal., 1962; Quistetal., 1962).

В начале 60-х гг. научный коллектив, в состав которого входили известные ученые из исследовательского центра IBM«Томас Дж. Уотсон» (расположен в Йорктаун Хейтс в часе езды на север от Нью-Йорка) Джерри Вудалл, Ганс Руппрехт, Манфред Пилкун, Маршалл Натан и др., провел большую исследовательскую работу по созданию светодиодов из GaAsи AlGaAsи изучению их характеристик.

В своей книге, опубликованной в 2000 г. (WoodallJ.M., 2000), Вудалл отмечал, что в те годы он в основном занимался проблемой выращивания объемных кристаллов GaAs, используемых в дальнейшем для создания полуизолирующих подложек для эпитаксиальных структур германиевых устройств, и подложек n-типа для изготовления инжекционных лазеров методом диффузии цинка. К тому времени фирмы IBM, GEи лаборатории Линкольн МТИ уже продемонстрировали работу своих инжекционных GaAs-лазеров. Руппрехт разрабатывал теорию введения примесей методом диффузии и ставил эксперименты с применением лазеров из GaAs. Он также входил в группу физиков, возглавляемую Маршаллом Натаном, одним из создателей первого инжекционного лазера (Nathanetal., 1962).

Именно в те годы Вудалл разработал методику, которая впоследствии стала применяться для горизонтального выращивания монокристаллов GaAsметодом Бриджмена, а Руппрехт создал ряд материаловдля лазеров и определил их характеристики. Такое тесное сотрудничество ученых быстро принесло свои плоды, что выразилось в разработке лазера GaAs, работающего в непрерывном режиме при 77 К (Rupprechtetal., 1963). После применения метода ЖФЭ, предложенного Г. Нельсоном в лаборатории фирмы RCA (Принстон), удалось изготовить лазер из GaAs, работающий при 300 К, который обладал гораздо меньшей пороговой плотностью тока, чем лазеры, полученные методом диффузии цинка. Почерпнув информацию из публикаций об исследованиях других ученых, Вудалл занялся выращиванием р-n-переходов в GaAs с применением амфотерных легирующих примесей кремния, в которых атомы Si в узлах Ga играли роль доноров, а в узлах As — роль акцепторов. Это была перспективная идея, поскольку до этого метод ЖФЭ использовали для выращивания эпитаксиальных слоев с проводимостью только одного типа.

Условия получения таких р-n-переходов методом ЖФЭ были найдены довольно быстро: для этого расплав Ga-As-Siохлаждался от 900 °С до 850 °С. При этом эпитаксиальный слой (нижний), выращенный при 900 °С, оказывался слоем n-типа, где кремний выполняет роль донора, а верхний слой, выращенный при 850 °С, — слоем р-типа, где кремний является акцептором, что подтвердилось исследованием поперечного разреза полученного перехода. Никаких потерь качества кристалла при таком выращивании обнаружено не было. Более того, благодаря влиянию в запрещенной зоне хвостов плотности состояний, обусловленных сильным легированием компенсированной области р-n-перехода, светодиоды из GaAs(Si) стали излучать в более длинноволновой области (900-980 нм) с энергией фотонов гораздо ниже края полосы поглощения GaAs(870 нм). Поэтому объемная подложка GaAsи эпитаксиальные слои перестали поглощать большую часть излучаемого света и стали вести себя как прозрачное окно. Светодиоды из GaAs(Si) держали рекорд по величине внешнего квантового выхода, который составлял ~ 6% (Rupprechtetal., 1963). В 2000 г. Руппрехт писал: «Созданные нами высокоэффективные светодиоды GaAs(Si) являются ярким достижением научно-технического содружества». Квантовый выход светодиодов из GaAs(Si) в пять раз больше, чем у светодиодов GaAs, созданных методом диффузии цинка. Уровни акцепторов Siглубже уровней акцепторов Zn, поэтому излучение в компенсированных активных слоях, легированных кремнием, происходит в области более длинных волн, в которой GaAsпрозрачен.Работы вышеупомянутого коллектива ученых были направлены на создание светодиодов видимого диапазона оптического спектра. Для этого были выбраны два кандидата: GaAsPи AlGaAs. В то время как Руппрехт пытался методом ЖФЭ получить эпитаксиальные слоиGaAsP, Вудалл применил эпитаксиальную установку для выращивания AlGaAs. Оба исследователя столкнулись с серьезными проблемами. Из-за несоответствия параметров кристаллических решеток GaPи GaAs, составляющего ~3,6%, было трудно сформировать методом ЖФЭ качественные слои GaAsP. С AlGaAsвозникли другие проблемы. В те годы существовало убеждение, что AlGaAs— плохой материал, потому что он легко окисляется: по выражению Вудалла «алюминий любит кислород». Атомы кислорода действовали как центры тушения люминесценции. Особенно это проявлялось в структурах, выращенных методом ГФЭ; в структурах, полученных по технологии ЖФЭ, влияние кислорода было несколько слабее.Руппрехт и Вудалл выполняли часть исследований «подпольно», без поддержки руководства IBM. Они проводили опыты по выращиванию эпитаксиальных слоев AlGaAsпо технологии ЖФЭ после работы и по выходным. Вудалл спроектировал и изготовил аппарат для проведения ЖФЭ с вертикальным погружением, в котором использовались плавильные тигли из графита и оксида алюминия. Будучи аспирантом, Вудалл специализировался по металлургии и обладал знаниями о фазовых переходах, поэтому он решил экспериментировать с подбором концентрации алюминия в расплавах. В первых опытах он добавлял в расплав кремний, доводил его до насыщения и погружал туда подложку GaAsна время охлаждения расплава с 925 °С до 850 °С. После этого подложка с эпитаксиальным слоем извлекалась и температура возвращалась к 300 К. При таком подходе р-n-переход, легированный кремнием, получить не удалось, но на подложке был обнаружен слой AlGaAsвысокого качества толщиной 100 мкм с запрещенной зоной в красной области видимого диапазона оптического спектра (Rupprechtetal., 1967, 1968).Тогда же научились выращивать эпитаксиальные слои AlGaAsна прозрачных подложках GaP, что позволило создать светодиоды видимого диапазона оптического спектра. Микроснимки таких светодиодов показаны на рис. 1.3. В дальнейшем при помощи метода ЖФЭ удалось сформировать в таких структурах дополнительные слои AlGaAsс большим содержанием алюминия. В результате были созданы светодиоды, в которых слои с высокой концентрацией алюминия играли роль прозрачных окон, пропускающих свет из активной области AlGaAsс низким содержанием алюминия (Woodalletal., 1972).Пилкун, который также входил в группу ученых IBMи работал вместе с Руппрехтом над созданием светодиодов и лазеров GaAsP (Pilkuhn, Rupprecht, 1965), собрал небольшую электрическую схему, питающуюся от батарейки, с использованием светодиодов, излучающих красный свет, и продемонстрировал ее своим коллегам и руководству IBM (Pilkuhn, 2000). Некоторые оценивали его работу как красивую,

Рис. 1.3. Микроснимок поперечного сечения светодиода из AlGaAs, выращенного на прозрачной подложке GaP(а). Электролюминесценция, возникающая в активной области (области инжекции), расположенной под контактной площадкой, наблюдаемая через прозрачную подложку GaP(б) (Woodalletal.,1972)

 

но бесполезную, другие —как замечательную и очень перспективную. Как показало время, последние были правы. Первые светодиоды GaAsPиспользовались в качестве индикаторов на монтажных платах, отображающих их состояние и выполняемые функции. Они также применялись в процессорном блоке классической универсальной ЭВМ фирмы IBMсерии 360, показанной на рис. 1.4.

Серийный выпуск первых светодиодов из GaAsбыл налажен фирмой TexasInstrumentsCorp. в начале 1960-х rr.(Rostky, 1997). Это были светодиоды инфракрасного диапазона оптического спектра с длиной волны излучения 870 нм. Технологические параметры первых светодиодов были довольно низкими, а цены —очень высокими: 130 долл США за один диод.

Первые светодиоды с резонаторами были сделаны на системе

Рис. 1.4. Классическая универсальная ЭВМ фирмы 1MB серии 360 (1964 г.), использующая в качестве индикаторов состояния арифметического устройства газоразрядные лампы высокого напряжения. В более поздних моделях эти дампы были заменены на светодиоды. Производительность компьютера IBMсерии 360 не сильно отличалась от производительности первых моделей ноутбуков

материаловAlGaAs/GaAs (Schubert et al., 1992, 1994). Они стали представителями нового класса светодиодов, принцип действия которых основан на усилении спонтанного излучения в микроскопических резонаторах. Максимум излучения находится на длине волны, соответствующей основной моде колебаний в резонаторе. Усиление излучения связано с изменениями плотности энергии световой волны при ее многократном прохождении внутри резонатора. Светодиоды с резонаторами обладают максимальной интенсивностью излучения вдоль оси резонатора, что позволяет повышать эффективность связи с оптическими световодами.

В настоящее время светодиоды из AlGaAs/GaAsинфракрасного диапазона широко используют в системах дистанционного управления аудио- и видеотехникой, а также в локальных сетях связи, а светодиоды из AlGaAs/AlGaAsкрасного свечения относятся к видимому диапазону и при этом обладают повышенной яркостью. К тому же их квантовый выход излучения такой же, как у светодиодов из GaAsP/GaAsкрасного свечения, но ниже, чем у AlInGaP/GaAs.

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