Конструкция светодиода, светоизлучающие материалы

Различные семейства неорганических полупроводниковых материалов могут способствовать созданию твердотельного белого света. Основными химическими системами, используемыми для светодиодов, являются нитриды группы III и фосфиды группы III. Однако возможно, что прорывы в другой материальной системе, например ZnO, будут иметь важное значение.

Материалы AlGaInN

Светодиоды на основе нитрида галлия (GaN) и тройных сплавов с индием (InGaN) и алюминием (AlGaN), а также четверных сплавов (AlGaInN) могут охватывать весь видимый спектр. Текущие приложения для SSL используют структуры InGaN для создания синего и зеленого света высокой яркости; Свет с большей длиной волны может эффективно генерироваться светодиодами AlGaInP. УФ-свет от светодиодов AlGaN также можно использовать для накачки люминофоров RGB, как упоминалось выше. Схема текущего нитридного светодиода показана на рисунке.

Рисунок 1. Схема нитридного светодиода

Нитридные материалы обычно выращиваются методом газофазной эпитаксии металлоорганических соединений (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy - MOVPE), также называемой химическим осаждением металлорганических соединений из паровой фазы (Metal Organic Chemical Vapor Deposition - MOCVD), из металлоорганических источников (например, триметилгаллия, -индия или -алюминия) при избытке аммиака. Основная трудность заключается в отсутствии недорогого монокристаллического GaN, который можно было бы использовать в качестве подложки для выращивания. Нитриды группы III обычно выращиваются на плохо совместимых подложках из сапфира (несоответствие решеток +16%, несоответствие теплового расширения +39%) или более дорогого карбида кремния (несоответствие решеток -3,5%, несоответствие теплового расширения -3,2%). В результате в пленках появляется большое количество (>10⁸/см²) дислокаций и других структурных дефектов, что приводит к дефектно-опосредованной безызлучательной рекомбинации электронно-дырочных пар и снижению подвижности из-за рассеяния носителей заряда на заряженных дефектных центрах. Промежуточный буферный слой (или зародышевый слой) обычно выращивается при пониженной температуре между подложкой и слоем n-GaN (зародышевый слой GaN на сапфировых подложках или AlN на SiC). Этот низкотемпературный буфер снижает плотность дефектов с 10¹² до 10⁹/см². Дальнейшее уменьшение дефектов (примерно на два порядка) может быть достигнуто с помощью таких методов формирования рисунка на подложке, как эпитаксиальное латеральное разрастание, эпитаксия Пендео или кантилеверная эпитаксия; эти подходы основаны на пространственной «фильтрации», обрыве и/или повороте пронизывающих дислокаций, чтобы они не достигали активной области устройства.

GaN легко легируется кремнием (обычно с использованием в качестве источника силана). Однако легирование p-типа магнием (обычно с использованием металлоорганического предшественника бис-циклопентадиенилмагния, Cp₂Mg) гораздо сложнее из-за пассивации водородом во время роста и величины потенциала ионизации дырок, связанного с Mg. Депассивация акцепторов Mg достигается термическим отжигом или облучением пучком низкоэнергетических электронов.

Включение индия переводит излучение в более длинные волны; Для зеленых светодиодов необходимы фракции индия более 20%. Это представляет собой серьезную проблему для роста материала. Для введения In требуются низкие температуры из-за более низкой термической стабильности, что приводит к ухудшению качества материала. По мере увеличения в составе In также увеличивается деформация из-за несоответствия решетки, что приводит к множеству дефектов, вызванных деформацией (например, точечных дефектов, v-дефектов и примесей углерода и кислорода) и снижению оптической эффективности.

Материалы AlGaInP

Сплавы (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5P практически соответствуют решетке GaAs, а производство светодиодов с длиной волны излучения от 555 нм (желто-зеленый) до 650 нм (темно-красный) является относительно зрелой технологией. Наличие монокристаллических подложек GaAs позволяет выращивать высококачественный фосфидный материал методом MOVPE. Но ширина запрещенной зоны GaAs составляет 1,42 эВ (870 нм) при комнатной температуре, поэтому эта подложка поглощает излучаемый свет ниже этой длины волны, что значительно снижает эффективность светодиода. Два решения этой проблемы показаны на рисунке 2.

Одним из способов предотвратить поглощение излучаемого света подложкой является вставка отражающей структуры между активной областью светодиода и подложкой, как показано в левой части рисунка 2. Зеркальная структура представляет собой распределенный брэгговский отражатель (DBR), состоящий из множества (например, от 5 до 50) чередующиеся слоёв с высоким и низким показателем преломления. Из-за различий в показателях преломления, часть направленного вниз света отражается вверх (и за пределы устройства) на границе каждого слоя. Толщина стопки зеркал регулируется таким образом, чтобы все отраженные волны находились в конструктивной интерференции. DBR очень эффективен для света, падающего перпендикулярно плоскости DBR; Однако скользящий падающий свет лишь частично отражается DBR.

Рисунок 2 (слева) Светодиод AlGaInP с зеркалом DBR для улучшения светоотдачи. (Справа) Светодиодная пластина AlGaInP, прикрепленная к прозрачной подложке GaP.

Другой подход заключается в удалении подложки GaAs после выращивания эпитаксиальных слоев, а затем приклеивании оставшейся структуры к прозрачной подложке GaP. Итоговая структура светодиода на пластине показана в правой половине рисунка 2. Общее светоотведение у светодиода AlGaInP на пластине может быть более чем в два раза выше, чем у конструкции LED + DBR.

Для малой доли Al внутренний квантовый выход приближается к 100%. (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5P — прямозонный полупроводник при x < 0,5; выше этого состава это материал с обратным переходом. Инверсия происходит при энергии запрещенной зоны около 2,23 эВ (555 нм). Таким образом, квантовая эффективность светодиода AlGaInP резко падает на более коротких длинах волн из-за перехода прямой-обратной запрещенной зоны. То есть по мере того, как непрямозонный X-диапазон становится более заселенным, радиационное время жизни увеличивается, позволяя другим безызлучательным процессам стать более доминирующими. Эффективность также падает при более высоких токах возбуждения и рабочих температурах из-за плохого ограничения носителей заряда в гетероструктурах по мере приближения к прямозононному переходу.

Материалы ZnO

Сплавы на основе ZnO — еще одна возможность генерации света от видимого до ближнего УФ-диапазона. ZnO обладает рядом физических свойств, которые делают его хорошим потенциальным кандидатом для SSL. Однако прогресс в превращении его в практический материал все еще находится на ранней стадии.

Материал представляет собой широкозонный полупроводник (3,4 эВ, что сопоставимо с 3,5 эВ GaN) с обычной кристаллической структурой. Монокристаллический ZnO уже производится, также доступны коммерческие 2-дюймовые пластины, обеспечивающие возможность гомоэпитаксии. Материал можно травить влажными химическими средствами, что делает его относительно простым в обработке. Поскольку ZnO имеет высокую энергию связи экситонов (60 мэВ по сравнению с менее чем 30 мэВ для GaN), возможны более высокие рабочие температуры.

ZnO обладает высокой собственной проводимостью n-типа, источник которой неизвестен. Было трудно получить p-легирование; хотя в последнее время и наблюдается хороший прогресс, повторяемости добиться по-прежнему трудно. Выращивание высококачественных пленок и гетероструктур ZnO всё еще находится в стадии разработки. Возможно, можно настроить ширину запрещенной зоны ZnO путем легирования MgO (ширина запрещенной зоны 7,9 эВ) или CdO (2,3 эВ). Однако эти два оксида имеют кубическую кристаллическую структуру, поэтому может быть сложно добавить большие фракции к ZnO без произведения дислокаций. Кроме того, использование тяжелого металла Cd в коммерческих светодиодных конструкциях может оказаться неприемлемым из-за долгосрочных проблем безопасности и охраны окружающей среды.

Julia M. Phillips, Sandia National Laboratories, May 2006