Свет из твердого тела: как работают сверхмощные диоды
Светоизлучающие диоды находят свое применение практически во всех сферах жизни человека, от лампочек в квартирах и дисплеях мобильных устройств, до индикаторов на космических станциях.
Повышение эффективности таких приборов позволяет значительно снизить потребление электроэнергии в современном обществе.
Ученые и инженеры НИЯУ МИФИ работают в этом направлении. На базе Центра радиофотоники и СВЧ технологий был разработан синий светоизлучающий диод на основе гетероструктур AlGaN/InGaN. Для увеличения его квантовой эффективности исследователи применяли ряд новых технологий. Разработали прозрачный проводящий контакт из стехеометрического сплава оксидов индия и олова с коэффициентом пропускания более 95%, провели работу по созданию рассеивающей свет рельефной поверхности кристалла, исследовали возможность снижения внутреннего сопротивления устройства.
Создать такое устройство непросто – нужно пройти через несколько этапов.
1. Рост гетероэпитаксиальной структуры на подложке
На данном этапе в полупроводник «закладывают» цвет будущего светодиода, а также его потенциальную яркость. Выращенная структура похожа на своеобразный «слоеный пирог», где каждый слой имеет свой состав и свойства. Полученный полупроводник состоит из материала n-типа проводимости, p-типа проводимости и так называемой «сверхрешетки» (комбинация слоев определенной последовательности, создающая набор квантовых ям и барьеров), в которой и происходит вся «магия» возникновения света из электрического тока.
2. Разработка топологии устройства
Здесь ученые определяют форму и внешний вид кристалла.
3. Травление полупроводника
Нет, полупроводник не пытаются отравить, данная технологическая операция позволяет «вскрыть» на поверхности полупроводника необходимые для производства слои гетероэпитаксиальной структуры.
4. Нанесение металлических покрытий
Процедура необходима для создания качественного электрического контакта полупроводника и источника питания. Металлы наносятся на поверхность полупроводниковой пластины методом термического испарения в вакууме. Метод можно сравнить с кипящим чайником, из которого при нагревании вырывается пар и осаждается на поверхности над чайником, образуя конденсат.
5. Нанесение прозрачного проводящего контакта
Эта операция позволяет создать уникальное покрытие, которое одновременно прозрачно для выводимого из кристалла света и имеет низкое электрическое сопротивление. Такие пленки наносятся методом реактивного магнетронного распыления: заряженные частицы (ионы аргона) врезаются в специально подготовленную мишень, выбивая ее атомы, которые, в свою очередь, устремляются к подложке и оседают на ней.
6. Создание рельефной поверхности
Свет, зарождаясь в полупроводнике при прохождении электрического тока, имеет свойство отражаться от всех встречающихся на пути границ раздела. Для того чтобы повысить вероятность его выхода наружу, применяются такие методы, которые увеличивают площадь границы раздела «полупроводник-воздух».
Но ведь обычно источники освещения белые. А на изображениях свет синий. Почему так?
Дело в том, что для получения белого света устройство покрывают специальным составом – люминофором. Он и позволяет менять цвет излучения на белый.
Работы, проделанные учеными, в конечном счете позволили создать прибор с КПД ~35%, что на несколько порядков превосходит эффективность классических источников освещения.
Результаты проведенных исследований специалистами НИЯУ МИФИ уже нашли применение в производстве высокоэффективных источников освещения. Так что полученные знания и опыт позволят совершенствовать имеющиеся и разрабатывать новые устройства на основе широкозонных полупроводников.
Материал подготовлен НИЯУ МИФИ
Автор: Роман Захарченко, Центр радиофотоники и СВЧ технологий НИЯУ МИФИ
Светодиод – представитель осветителей нового поколения. Яркий, эффективный, долговечный.