Нобелевская премия по физике 2014 (полупроводниковые

Нобелевская премия по
физике 2014
(полупроводниковые источники синего
и белого света)
Isamu Akasaki
Meijo University, Nagoya, Japan and Nagoya University, Japan
Hiroshi Amano
Nagoya University, Japan
and
Shuji Nakamura
University of California, Santa Barbara, CA, USA (Nichia Chemicals, a
Tokushima, Japan)
“This year’s Nobel Laureates are rewarded for having invented a new energyefficient and environment-friendly light source – the blue light-emitting diode
(LED). In the spirit of Alfred Nobel the Prize rewards an invention of greatest
benefit to mankind; using blue LEDs, white light can be created in a new way.
With the advent of LED lamps we now have more long-lasting and more
efficient alternatives to older light sources.
«…за изобретение нового эффективного и экологичного источника света –
синего светодиода. В духе Альфреда Нобеля премия присуждается за
изобретения принесшие наибольшую пользу человечеству; используя
синие светодиоды можно создавать источники белого света новым
способом. С созданием светодиодных ламп мы сейчас более
долговечными и более эффективными источниками света по сравнению с
ранее использовавшимися.»
share
Исаму Акасаки, 1929,
почетный профессор
университета Нагоя,
Япония, Профессор
университета Мейжи
Хироши Амано,1960,
профессор
университета Нагоя,
Япония
Шуджи Накамура,1954,
профессор
Калифорнийского
университета Санта
Барбара, США, (Nichia
Chemicals, a Tokushima,
Japan)
Обнаружение свечения полупроводников при
протекании тока (предистория светодиода)
Олег Владимирович Лосев
В 1907 г. Г. Раунд, сотрудник Маркони обнаружил желтоватое свечение вблизи электродов при пропускании
света через корунд (SiC) H.J Round Note on Carborundum. Electrical World 1907, v.49. Он отметил, что это
свечение не связано с разогревом и поэтому представляет «холодное» свечение. Более того, он поставил
первым вопрос о физической природе этого явления.
В 1923 г. 20-ти летний О.В.Лосев исследовал (переоткрыл) свечение из случайно созданного p-n перехода в
карборунде при приложении положительного и отрицательного напряжения. Он первым подробно исследовал
это явление. Свечение наблюдалось как при положительном смещение (свечение II по Лосеву ),
обусловленная инжекцией неосновных носителей, так и при отрицательном напряжении вблизи лавинного
пробоя. О.В.Лосев “Поведение контактных детекторов; влияние температуры на генерирующие контакты”,
Телеграфия и телефония без проводов, № 18б сс. 45-62, Март 1923 (см. также стр. 31-55 в 8а)
Теоретическое объяснение свечению (рекомбинация в p-n –переходе ) в работе Lehovec, K; Accardo, C.;
Jamgochian, E. Injected Light Emission of Silicon Carbide Crystals // Physical Review. — 1951. — Vol. 83. —
P. 603–607. — DOI:10.1103/PhysRev.83.603 , обнаружение свечения в p-n переходах кремния и германия.
Курт Леговец (1918-2012) человек очень интересной и сложной судьбы.
Обнаружение видимого излучения из материала A3B5 (GaP) G.A.Wolff, R.A.Herbert, J.D.Broder Phys. Rev. v
100, 1144 (1955)
Принцип работы светодиода
Гетеропереходы, квантовые ямы в
светодиодах
•Kroemer H 1963 A proposed class of hetero-junction injection lasers
Proc. IEEE 51 1782–3
•Алферов Ж.И., Казаринов Р.Ф. «Полупроводниковый лазер с
электрической накачкой» Авт. свид. №181737. Заявка № 9508/2625. Заявлено 30.03.1963
Ж.И.Алферов
Два важных преимущества: уменьшение поглощения в контактных
областях и возможность изменения дины волны
Развитие технологии GaN
Вероятно первая осознанная попытка создания пленок монокристаллического GaN
была предпринята в работе H.P.Maruska, J.J.Tietjen The preparation and properties of vapordeposited single-crystal line GaN. Appl. Phys. Lett. v. 15б 327 (1969)
Гидридная эпитаксия (NH3, HCl+Ga), подложка –сапфир (рассогласование 13.5%)
Основные трудности
1. Огромное количество дефектов и большая фоновая концентрация примеси ~1019 cм-3.
2. Трудности с легированием акцепторами (Ge) – невоспроизводимость.
Достижения: монокристаллические пленки, определена Eg
Потом были попытки легирования Zn и Mg. Результат легированные слои полуизолирующие.
Следующий шаг H. Amano, N.Sawaki, I.Akasaki, Y.Toyoda Metalorganic vapor phase epitaxial growth
of a high quality GaN film using AlN buffer layerAppl. Phys. Lett v. 48, 353 (1986)
МОС- гидридная эпитаксия при атмосферном давлении (H2+NH3+ триметил галлия)
Благодаря низкотемпературному росту буферного AlN нет трещин, материал существенно
более высокого качества, наблюдалась краевая фотолюминесценция и подавление примесной
ФЛ.
Светодиод GaN на основе структур
полупроводник- изолятор-металл
Жак Панков ( Яков-Исаак
Евсеевич Панчешников)
Создание первого светодиода на GaN с
воспроизводимым p-n-переходом
H. Amano, M.Kito, K.Hiramatsu,
I.Akasaki. P-type condution in Mg-doped
GaN treat with low-energy electron beam
irradiation Jpn. J. Appl.Phys. v. 28, L2112
(1989) – создание p-типа GaN из
полуизолирующего материала
(уменьшение сопротивления на 105).
Изготовлен светодиод на p-n-переходе
(в отличие уже существовавших на
структурах металл- изоляторполупроводник).
Прорыв Накамуры
Основные технологические достижения Накамуры,
1. Отжиг в атмосфере азота приводит к
образованию p-типа (как оказалось водород
пассивировал акцепторы) .
2. В качестве буфера подходит
низкотемпературный GaN.
3. Разработка технологии выращивания квантовых
ям InGaN на GaN и создание светодиодов с
высоким кпд на их основе.
4. Создание голубого лазера работающего в
непрерывном режиме при комнатной температуре
(лазер работающий в импульсном режиме ранее
был создан в группе Акасаки).
S.Nakamura et al Jpn J. Appl.
Phys, v.31, L139 (1992)
S.Nakamura Jpn J. Appl. Phys,
v.30, L1708 (1991)
Некоторые любопытные факты
Особенности материалов со структурой
вюрцита
1. Кристалл двуосный,
пироэлектрический
2. Сильно выражены
пьезоэлектрические свойства.
Поэтому в структурах имеются сильная
встроенная поляризация (электрическое
поле) и поляризация обусловленная
деформацией (поля ~ 5 *106 V/cm).
Носители стремятся его
заэкранировать.
Зонная структура GaN, AlN
AlN, GaN, InN – прямозонные
полупроводники
Современные светодиоды на GaN
Большая часть синих светодиодов выпускается либо на
сапфировых подложках (Nichia). либо на SiC (Cree). 80%
рынка занимают Nichia и Cree.
Рассогласование решеток GaN и сапфира 13.5% (14.8) а
GaN и 6H-SiC только 3.3%. Кроме того SiC обладает
лучшей теплопроводностью и через него можно
пропускать ток, что позволяет уменьшить контактное
сопротивление. Но SiC подложки дороже.
Появились free-standing GaN подложки 2 дюйма, толщина
300 мкм, плотность дислокаций <5*106см-2.
Синие светодиоды широко используются для создания
источников белого света либо с помощью сборок (триад)
либо с помощью люминофоров. Эти источники нашли
очень широкое применение в разнообразных дисплеях,
фонарях, источниках уличного и комнатного освещения.
Схема одной из конструкций белого светодиода.
MPCB — печатная плата с высокой тепловой
проводимостью.
Лазеры на основе GaN
Генерация в импульсном режиме была достигнута в
работе
I. Akasaki et al Jpn J. Appl. Phys, v.34, L1517 (1995).
Генерация в непрерывном режиме
S.Nakamura et al Jpn J. Appl. Phys, v.35, L74 (1996)
Лазер с временем жизни 104 часов был создан в 1998:
S.Nakamura et al Jpn J. Appl. Phys, v.37, L627 (1998)
История развития хорошо голубого лазера
представлена в работе
I. Akasaki J. Cryst. Growth v 237-239, 905 (2002).
Коммерческий выпуск лазеров начался в 1999 г.
Структура полупроводникового лазера
Транзисторы на основе GaN
Достоинства полевых транзисторов на структурах на основе GaN:
1. Большая концентрация электронов в канале ~1013-1014 cm-2.
2. Большие пробивные напряжения.
3. Хорошая подвижность электронов.
Т.о. эти транзисторы хороши для генерации мощного излучения в
гигагерцововом диапазоне частот, что интересно как для станций
мобильной связи так и для радиолокации (АФАР).
Проблемы и перспективы технологии GaN
Основные проблемы
1. Поднятие плотности порогового тока в светодиодах с сохранением кпд.
2. Удешевление продукции
3. Изготовление недорогих и качественных подложек.
4. Уменьшение числа дислокаций.
Перспективы
1. Полный переход на диодное освещение.
2. Широкое распространение GaN транзисторов.
3. Создание ультрафиолетовых лазеров.