СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СВЕТОДИОДА ПУТЕМ ЗАМЕНЫ САПФИРОВОЙ ПОДЛОЖКИ

АННОТАЦИЯ

Тенденция снижения себестоимости производства и повышения эффективности свечения светодиодов требует определенных изменений. Сравнение материалов для основы изготовления светодиода указывает на преимущества кремниевой подложки, а не сапфировой. Преодоление проблемы запрещенной зоны разрешается путем создания кремниево-германиевого сплава.

ABSTRACT

The tendency to reduce the cost of production and increase the efficiency of LED lighting requires certain changes. The comparison of materials for the basis of the LED manufacturing indicates the advantages of a silicon substrate, rather than a sapphire one. Overcoming the problem of the forbidden zone is solved by creating a silicon-germanium alloy.

Ключевые слова: светодиод, кремниевый светодиод, зона проводимости, полупроводник, рекомбинация.

Keywords: led, silicon led, conduction band, semiconductor, recombination.

Светодиод состоит из нескольких слоев полупроводниковых материалов. Все массовые производители светодиодов формируют первичный слой полупроводника на пластинах различного диаметра, изготовленных из искусственно выращенного сапфира. Сапфировая подложка имеет большой недостаток (по сравнению с кремниевой) – это высокая цена и отсутствие электрической проводимости. Как раз отсутствие электрической проводимости усложняет процесс производства, тем самым увеличивая себестоимость.

В этом плане более выигрышными являются кремниевые материалы, имея низкую стоимость и зрелую технологию производства. Добываемый в большом количестве кремний, очень часто встречается в природе, он дешевый и довольно стабильный элемент. В современном мире это практически самый используемый людьми материал, который в большинстве случаев применяется при производстве микросхем и полупроводниковых приборов, но ранее никогда не использовался в оптике.

На протяжении нескольких десятилетий мировые разработчики трудятся над созданием светодиода на кремнии, который может стабильно эксплуатироваться и интегрироваться в микросхему. При удачной реализации данного проекта кремний, являясь недорогим источником инфракрасного света, поможет воплотить в реальность многие приложения для смартфонов и гаджетов, которые еще не реализованы на данном этапе, и существенно снизить стоимость существующих приложений.

Так как кремниевые светодиоды являются в основном источниками инфракрасного света, то это делает их особенно подходящими для автоматической фокусировки в камерах и измерения расстояния в дальномерах. Конечно, большинство современных смартфонов имеют данные функции, но реализованы на материалах дороже кремния.

Несмотря на то, что кремний имеет очевидные преимущества, создание светодиодов на его основе имеет свои нюансы. Наличие «энергетической щели» существенно сужает возможности кремниевых светодиодов. Возможно, кремний не так хорош, как материал для постройки светодиода, но начнем по порядку.

Светоизлучающий диод (LED) это есть p-n переход, с двумя зонами (n-типа и p-типа). Зона n-типа наполнена возбужденными свободными электронами, а зона p-типа это большое количество положительно заряженных дырок, к которым стремятся электроны. Как только электрон направляется к дырке, его энергия значительно падает, высвобождая разницу энергий. Собственно само свечение возникает области p-n перехода в процессе рекомбинации электронов и дырок. Из этого следует необходимость наличия p-n перехода, а конкретно контакта двух полупроводников, имеющих разный тип проводимости. Реализуется это следующим образом: один из приконтактных слоев полупроводникового кристалла легируют акцепторными примесями, а другой – донорскими.

Однако совсем не каждый p-n переход способен излучать свет. Для начала, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна иметь энергию, близкую к энергии квантов света в видимом диапазоне.

И очень важно, чтобы полупроводниковый материал содержал очень мало дефектов, из-за которых рекомбинация электронно-дырочных пар происходит без излучения.

Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

На практике, чтобы соответствовать необходимым условиям в кристалле, необходимо создать многослойную структуру (гетероструктуру), так как одного p-n переход оказывается недостаточно. Как известно, энергетические состояния электронов и дырок разных полупроводников различаются, и при их рекомбинации выделяемая энергия так же будет различаться.

Широко распространенные светодиодные материалы, такие как нитрид галлия (GaN) и арсенид галлия (GaAs), имеют прямую запрещенную зону. У минимальной зоны проводимости и максимальной валентной зоны одинаковый импульс электронов. Рекомбинировать могут электроны в нижней части зоны проводимости дырки в верхней части валентной зоны, сопровождаясь излучением света. Такие условия обеспечивают хорошую вероятность рекомбинации с большой светоотдачей.

Теперь рассмотрим кремний. Он является не прямозонным полупроводником, т.е. в разных точках импульсного пространства находятся абсолютные минимумы валентной зоны и зоны проводимости, тем самым характеризуется слабой излучательной рекомбинацией. Нюанс заключается в следующем: в процессе образования фотона в не прямозонных полупроводниках при рекомбинации электрона и дырки, с очень малым импульсом в этих условия, обязательно дополнительное участие квазичастицы – фонона. Фонон возьмет на себя разницу импульсов электрона и дырки. В свою очередь это приведет к увеличению на несколько порядков времени излучательного перехода по сравнению с прямозонными полупроводниками.

Электрон и дырка могут рекомбинировать безызлучательно, то есть без образования фотона. В этом случае пара электрон-дырка передает кристаллической решетке энергию, практически равную ширине запрещенной зоны. Энергии фононов значительно меньше ширины запрещенной зоны, поэтому маловероятно, что множество фононов непосредственно передадут энергию кристаллической решетке. В такой ситуации центры безызлучательной рекомбинации такие, как примеси и дефекты кристаллической решетки, способствуют передаче энергии решетке.

К тому же электроны в кремниевом материале имеют особенность преобразовывать энергию рекомбинации в тепло, а не в свет. Эта специфика скорости преобразования энергии и, соответственно, эффективность светодиода на основе кремния, уступает аналогичным продуктам массового производства.

Массовое производство кремния высокого качества в промышленных масштабах для производства электронных компонентов давно поставлено на поток. Но, несмотря на это, даже в очень чистом малодефектном кремнии характерные времена излучательной рекомбинации очень велики, чтобы электрон и дырка нашли дефект и рекомбинировали безызлучательно. Для того чтобы кремний излучал свет в видимом или инфракрасном диапазоне (при комнатной температуре) существует немало структур с использование кремния.

Наиболее известные:

- пористый кремний,

- сверхрешетки кремний/диоксид кремния,

- наночастицы кремния в матрице диоксида кремния,

- структуры кремний/германий (SiGe).

Как выяснилось, чтобы светодиоды на базе кремния по-настоящему светились необходимо преодолеть проблему запрещенной зоны.

Рассмотрим варианты решения проблемы запрещенной зоны. Во-первых, можно изготовить кремниево-германиевый (SiGe) сплав. Во-вторых, применить метод прямого/обратного смещения.

Учитывая существующую в данный момент проблему запрещенной зоны, есть два пути ее решения: первый – создать кремниево-германиевый (SiGe) сплав, второй – воспользоваться методом прямого/обратного смещения.

Рассмотрим оба подробнее. В первом случае, изменив форму решетки кремния с кубической на гексагональную, с последующим объединением с материалом германия в нужной пропорции, получается сплав с прямой запрещенной зоной. Этот способ довольно хорош, но трудность заключается в реализации, так как изготовить гексагональный кремниевый материал очень не просто, и трудно контролировать рисунок кристаллической решетки.

Теперь, что касается метода прямого/обратного смещения. При подаче на p-n переход обратного напряжения, то есть к области p-типа подключается отрицательный полюс источника питания, а область n-типа – к положительному полюсу возникает эффект обратного смещения. В результате электроны не могут мгновенно рекомбинировать с дырками. Но как только электрическое поле достигнет критической напряженности, электроны ускорятся и ток удвоится. Этот эффект называется «электрическая лавина». Энергия этой лавины может использоваться светодиодом для излучения яркого света. Нюанс заключается в следующем: для обратного смещения необходимо напряжение в разы превышающее стандартное.

Противоположным обратному смещению является прямое смещение. В этом режиме электроны могут двигаться планомерно. С недавних пор технология прямого смещения была усовершенствована настолько, что кремниевый светодиод способен излучать свет при напряжении всего в 1 вольт.

Даже при использовании напряжения достигшего уровня транзисторов в большинстве современных цифровых микросхем, яркость такого светодиода на базе кремния не позволяет использовать его повсеместно.

Есть метод, который отличается от классического, с прямым смещением соединения n-зоны и p-зоны. Его особенность в расположении областей n-типа и p-типа вертикально, в то время как традиционно они расположены рядом. Это позволяет удерживать электроны и дырки от поверхности и краевых областей. Электрическая энергия в этом случае не преобразовывается электронами в тепло, а повышает светоотдачу. Созданный кремниевый светодиод с такой конструкцией, в разы ярче других аналогичных продуктов, изготовленных методом прямой поляризации.

И все же, на данный момент полученной яркости недостаточно для использования, к примеру, в современных гаджетах, но это очень большой прорыв в этом направлении. К тому же пока не один светодиодный продукт еще не был интегрирован в чип.

Подытожив, можно сделать вывод: кремний – относительно простой в использовании и экономичный в плане производства материал, применяемый в оптическом поле. Полученный кремниево-германиевый (SiGe) сплав исключает ограничивающую использование кремниевых материалов проблему запрещенной зоны, много лет ограничивающую применение кремния в оптике.

Сплав (SiGe) значительно улучшает расположение областей n-типа и p-типа, повышая световую эффективность кремниевых оптических материалов. Учитывая эти факты, очевидно, что кремниевые оптические элементы - будущее светодиодной индустрии.

Список литературы:

1. В.Е. Бугров, К.А. Виноградова. Оптоэлектроника светодиодов. Учебное пособие. – СПб: НИУ ИТМО, 2013. – 174 с.
2. Wai Lek NG, M. A. Lourenco, R. M. Gwilliam, S. Ledain, G. Shao, and K. P. Homewood. Nature, v.410, 2001. - 192p.
3. Hermann G.Grimmeiss. Silicon-germanium – a promise into the future?, 1999. – 1034p.