СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №2/2015

СОБЫТИЯ 71 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2015 p -GaN GaN – буферный слой Сапфировая подложка n -GaN p -Al 0,2 Ga 0,8 N In x Ga 1–x N p -контакт n -контакт Эффективность, отн.ед. 1960 GAP:Zn,O GaAsP GaAsP:N GaAlAs GaAlInP InGaN InGaN SiC PC-White ZnSe DH:GaAlAs 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Годы E c E F p d F n eU = F n – F p E v E g eff p -GaN n -GaN InGaN p -AlGaN – – + + h ω нимой с длиной волны де Бройля для электронов. Энергетический спектр электронов и дырок в такой систе- ме зависит от толщины d в соответ- ствии с законами квантовой механи- ки – здесь говорят о квантовой яме. Инжекция в квантовую яму приводит к большой концентрации электронно- дырочных пар, и в ней увеличивается вероятность излучательной рекомбина- ции. Акасаки и его коллеги разработа- ли структуры на основе AlGaN/GaN [1, 4, 6, 15]. Накамура с большим успехом использовал для создания гетеропере- ходов комбинации InGaN/AlGaN/Gan и InGaN/GaN, делая на их основе оди- ночные и множественные квантовые ямы [2, 6, 15, 19]. В 1994 году Накамура и его коллеги добились значения кван- тового выхода излучения такой струк- туры с квантовыми ямами 2,7%, исполь- зуя двойной гетеропереход InGaN/ AlGaN/GaN (см. рис. 3) [18]. Эти важ- ные первые шаги открыли путь к раз- работке эффективных синих светоди- одов. Обе исследовательские группы из Японии продолжали развивать техно- логию производства синих светодио- дов в сторону повышения эффективно- сти и универсальности, а также расши- рения возможных приложений. Синее лазерное излучение на основе GaN- гетероструктур наблюдалось обеими группами в 1995–1996 годах [1, 2, 6]. Группа в МГУ показала, что в синих све- тодиодах Накамуры внешний кванто- вый выход излучения достигает 9% [20]. Современные эффективные СД на основе гетероструктур GaN и его твёр- дых растворов стали результатом целой серии прорывов в физике полу- проводниковых кристаллов и в физи- ке излучающих устройств на основе полупроводниковых гетеростурктур. Исследования оптических явлений в светодиодах позволили существенно повысить коэффициент вывода опти- ческого излучения из прибора. Исто- рия развития синих, зелёных, красных и «белых» СД показана на рисунке 4. Успешная разработка эффектив- ных СД привела к возможности созда- ния белых источников света. Одним из способов получения белого света может быть использование свечения одновременно нескольких СД разно- го цвета, а именно красного, зелёного и синего (см. рис. 5а). Если в комбина- ции с синим светодиодным кристаллом использовать люминофоры, которые при возбуждении синим светом име- ют либо жёлто-зелёную полосу свече- ния, либо жёлто-зелёную с красным, то также возможно получить белый свет (см. рис. 5б и в). Подбирая различные люминофоры, относительную интен- сивность синей и жёлто-зелёной поло- сы, добавляя дополнительный красный люминофор, можно менять цветовую температуру белого цвета. Таким обра- зом, оттенок белого цвета можно изме- нять от «холодного» до «тёплого» диа- пазона. Один из вариантов получения белого цвета – возбуждение трёх люми- нофоров (красного, зелёного и синего) с помощью светодиодного кристалла УФ-диапазона (см. рис. 5г). Стоит отметить, что в источниках света на основе СД в основном исполь- зуются первые три упомянутых выше метода. Эти источники света, имею- щие достаточно большой срок служ- бы (более 50 тыс. часов), используются сейчас в качестве замены ламп накали- вания и разрядных ламп в светотехни- ческих изделиях. Сегодня белые СД на базе GaN служат основными источниками света в дис- плеях на основе жидких кристаллов – в компьютерных мониторах и экра- нах телевизоров, а также в большин- стве мобильных устройств (телефонах, планшетах, ноутбуках и т.д.). Синие и ультрафиолетовые диодные лазеры из GaN также используются для записи в компакт-дисках DVD; они необходи- мы для хранения информации, вклю- чая музыку, фотографии и фильмы. Будущие применения могут включать в себя использование ультрафиолето- вых СД на основе AlGaN/GaN в систе- мах очистки воды и воздуха, так как УФ-излучение обладает бактерицид- ным, противогрибковым и противо- вирусным действием. В последнее время начался новый этап в развитии светодиодного осве- щения. В конце 2011 года светотехни- ческие устройства со светодиодами из GaN превысили по световой отда- че традиционные источники освеще- ния – лампы накаливания и разрядные лампы. Это означает революцию в све- тотехнике. Коэффициент полезного действия лампочки накаливания, изобретён- ной в 1879 году Томасом Эдисоном, всего около 4%. Это соответствует зна- чению световой отдачи ∼ 16 лм/Вт. Све- товая отдача люминесцентной лампы, предложенной в 1900 году П. Купером Хьюиттом, достигает 70 лм/Вт. А у про- мышленно выпускаемых белых свето- диодов этот параметр составляет более 100 лм/Вт, у лучших промышленных образцов – порядка 140 лм/Вт. Рекорд- ные значения световой отдачи белых светодиодов, достигнутые в лаборато- риях в 2014 году, превышают 300 лм/Вт, что соответствует КПД 50%. Используемые для освещения белые светодиоды большей частью основаны на комбинации мощных синих кри- сталлов и различных люминофоров, преобразующих синий свет в белый. Помимо высокой эффективности СД имеют длительный срок службы. Сто- имость светодиодов за последнее деся- тилетие упала в 20 раз, и они продол- жают дешеветь; ожидается, что их цена в конце 2015 года станет меньше, чем у соответствующих эффективных люминесцентных ламп. Рынок свето- Рис. 2. Инжекция электронов и дырок в квантовую яму ширины d и излучательная рекомбинация в двойной гетероструктуре на основе нитрида галлия. E – напряжённость электрического поля Рис. 3. Схема светодиодной гетероструктуры типа InGaN/AlGaN/GaN Рис. 4. История развития синих, зелёных, красных и «белых» СД