СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №2/2015

СОБЫТИЯ 69 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2015 никает при приложении напряжения к точечному контакту металла с кар- борундом (SiC, карбидом кремния). При низких напряжениях наблю- дался жёлтый свет, а с повышением напряжения добавлялись другие цве- та. Советский физик Олег Владими- рович Лосев также обнаружил этот эффект – в 1920–1930-х годах он под- робно исследовал свечение полупро- водника в контакте металл–полупро- водник и отмечал: «Здесь происходит совершенно своеобразный электрон- ный разряд, не имеющий, как показы- вает опыт, накалённых электродов». Свечение было «безынерционное», т.е. не имеющее заметного послесве- чения. Лосев получил патент на «све- товое реле для быстрой телеграфной и телефонной связи, для передачи изо- бражений на расстоянии» и назвал воз- можный прибор безынертным источ- ником света. Это, по существу, было изобретением светодиода и предска- занием современной оптоэлектрони- ки [4–7]. Стоит отметить, что данные результаты были получены задолго до создания современной электронной теории полупроводников. Развитие физики твёрдого тела и особенно физики полупроводни- ков в 1940-х годах позволило понять принцип работы p-n -переходов, что привело к изобретению транзисто- ра в США в 1947 году (Нобелевская премия 1956 года У. Шокли, Дж. Бар- дина и У. Брэттена). Стало ясно, что p-n -переход, контакт двух областей соответственно с дырочным и элек- тронным типом проводимости, может быть перспективным для излучения света. В 1951 году К. Леховец с кол- легами в США [8] попытались объяс- нить электролюминесценцию в SiC как результат инжекции носителей на сты- ке полупроводника и металлическо- го контакта с последующей излуча- тельной рекомбинацией электронов и дырок. Однако наблюдаемая энер- гия фотона оказалась меньше ширины запрещённой зоны SiC, и авторы пред- положили, что излучательная реком- бинация, скорее всего, происходит на примесях или дефектах кристалличе- ской решётки. В 1955 году инжекци- онная электролюминесценция была обнаружена в ряде полупроводнико- вых структур типа A III B V [9]. В 1955– 1956 годах Дж. Хейнс показал, что электролюминесценция наблюдает- ся в германии и кремнии; она была объяснена излучательной рекомби- нацией электронов и дырок в обла- сти p-n -перехода [6, 10]. За последующие несколько лет были разработаны методы, позволяющие создавать эффективные р-n -переходы в арсениде галлия (GaAs). Этот полупро- водник – прямозонный, поэтому в нём велика вероятность рекомбинации элек- тронов и дырок без участия фононов. (Термин «прямозонный» подразумевает, что в координатах квазиимпульс–энер- гия минимум зоныпроводимости лежит точно над максимумом валентной зоны. Поскольку при переходе между этими состояниями квазиимпульс электрона не меняется, такие переходымогут про- исходить лишь с излучением фотонов, без участия фононов.) Ширина запре- щённой зоныGaAs при комнатной тем- пературе составляет 1,4 эВ, что соот- ветствует излучению в инфракрасном диапазоне. Летом 1962 года появилось сообщение о наблюдении излучения в GaAs [11], а через несколько месяцев независимо и практически одновремен- но тремя исследовательскими группами было обнаружено и когерентное (лазер- ное) излучение в GaAs при температуре жидкого азота (77 К) [6]. Но прошло ещё несколько лет, прежде чем лазерные дио- дыполучилиширокое распространение. Жорес Иванович Алфёров и его груп- па в Физико-техническом институ- те им. А.Ф. Иоффе в 1960-х годах про- шлого века исследовали гетерострукту- ры соединений типа АIIIВV на основе арсенида галлия. Было показано, что в двойных гетероструктурах Al x Ga 1–x As/ GaAs/Al x Ga 1–x As эффективность излуча- тельной рекомбинации – внутренний квантовый выход излучения – дости- гает 99,7%. За эти работыЖ.И. Алфёров (совместно с Г. Кремером) был удостоен Нобелевской премии 2000 года. Появление гетероструктур позво- лило локализовать носители в кван- товых ямах таких структур при одно- временном снижении оптических потерь. Лазерные диоды стали рабо- тать в непрерывном режиме при ком- натной температуре, что открыло доро- гу для их использования в различных областях науки и техники. В конце 1950-х годов начались исследования электролюминесцен- ции фосфида галлия (GaP) [6, 9], шири- на запрещённой зоны которого рав- няется 2,2 эВ. Определённые трудно- сти на пути создания светодиодов на его основе возникли по причине того, что GaP – непрямозонный полупро- водник и рекомбинация носителей в нём возможна лишь с участиемфоно- нов, что снижает её вероятность и, как следствие, эффективность излучения. Скачок в создании эффективных СД на основе GaP был сделан параллель- но тремя исследовательскими груп- пами из Германии, Великобритании и США [6]. Использование различных легирующих примесей, например Zn-O или N, в разных концентрациях, позво- лили исследователям получить целый ряд длин волн излучения в диапазо- не от красного до жёлто-зелёного цве- та. К концу 1960-х годов многие про- изводители в разных странах начали промышленно изготавливать красные и жёлто-зелёные СД на основе GaP [12]. У кристаллов твёрдых растворов GaAs 1–x P x длина волны излучения может быть короче, чем у аналогов из GaAs, и достигать видимого диапазона, в то время как запрещённая зона остаётся прямой для значения параметра х ниже 0,45. Н. Холоньяк младший с коллегами в конце 1950-х годов начали занимать- ся проблемой создания p-n -переходов на таких соединениях, и им удалось сде- лать из них СД. В 1962 году был создан лазерный диод с длиной волны излу- чения 710 нм, лежащей в красном диа- пазоне [6, 13]. Получение синего света в полупрово- дниковом кристалле оказалось значи- тельно более трудной задачей. Ранние попытки построить источник синего света на базе непрямозонных матери- алов ZnSe и SiC успеха не имели. Мате- риалом, который смог позволить раз- работать синие СД, стал нитрид галлия. GaN – прямозонный полупроводник типа A III B V со структурой кристалличе- ской решётки типа вюрцита. Его выра- щивают на подложках из сапфира (Al 2 O 3 ) или SiC, несмотря на различие постоянных кристаллической решёт- ки. Для легирования GaN использу- ют, например, кремний (для создания проводимости n -типа проводимости) и магний (для p -типа проводимости). Нелегированный GaN имеет n -тип про- водимости, ширина его запрещённой зоны равна 3,4 эВ при комнатной тем- пературе, что соответствует длине вол- ны излучения в ультрафиолетовой области. К сожалению, легирование вносит изменения в технологический процесс роста GaN, по причине чего материал становится хрупким. О создании эффективных источни- ков излучения на основе GaN серьёз- но думали несколько исследователь- ских групп уже в конце 1950-х годов.