Блакитні гетероструктурні напівпровідникові світлодіоди та лазери на базі GaN

(нітридів елементів ІІІ групи)

Нітрид галію (GaN) плавиться при температурі Т_пл = 2000^оС, при цьому рівноважний тиск парів N₂ складає 40 атмосфер. Зрозуміло, що синтезувати таку речовину, а тим більше вирощувати кристали GaN непроста справа. Ізоструктурні сполуки – нітриди алюмінію та індію (AlN i InN) – також напівпровідники групи А ^ІІІВ^V. Ці сполуки утворюють неперервні ряди твердих розчинів ширина забороненої зони яких залежать від складу. А отже хімічний склад твердого розчину можна підібрати таким, щоб створений на його базі діод генерував би світло з необхідною довжиною хвилі, в тому числі й синьою.

У 70-х рр. група проф. Дж. Панкова із фірми ІВМ створила фіолетові та блакитні світлодіоди – на базі плівок GaN на підкладці із сапфіру. Квантовий вихід діодів був достатнім для практичного використання, але опір діодів виявився великим, вони перегрівались і виходили з ладу.

Згодом наукові групи Г.В. Сапаріна і М.В. Чукічева із Московського держуніверситету виявили, що під дією електронного пучка GaN, легований Zn, стає яскравим люмінофором. Автори запропонували виготовляти на базі цього ефекту пристрій оптичної пам’яті. Проте, ці автори не з’ясували причини цього яскравого свічення. Це вдалося зробити проф. І. Акасакі і Х. Амано із університету Нагоя (Японія). Обробивши плівку GaN електронним пучком методом сканування, вони зробили яскраво люмінесцентний шар р -типу. Однак не всі розробники приладів своєчасно прочитали їхні публікації і патенти.

У 1989 р. д-р Ш. Накамура із фірми “Начія” розпочав дослідження плівок нітридів елементів ІІІ групи, вирощених із метлоорганічних сполук. Він використав результати проф. Акасакі, але так вдало підібрав легування (Mg, Zn) і термообробку, що зумів одержати ефективно інжектуючі шари р -типу в GaN – гетерострктурах. На першому етапі виготовили світлодіоди із подвійних гетероструктур Ga_1-xIn_xN/Ga_1-yAl_yN з активним шаром Ga_1-xInN, легованих Zn. Спектральні максимуми блакитних і зелених діодів були в околі 460 і 520 нм. Ось так і отримали синій промінь.

На наступному етапі виготовили світлодіоди на базі багатошарових гетероструктур GaN/Ga_1-xIn_xN з шаром Ga_1-xIn_xN товщиною 2-3 нм. Зміна товщини дозволяла додатково керувати спектром випромінювання, оскільки енергетичний спектр електронів і дірок залежить від товщини. Крім того, тонкий шар рівномірно розтягується або стискується, але не рветься. Дислокації не виникають, квантовий вихід збільшується.

На рис.1 показана багатошарова структура для блакитних і зелених
світлодіодів з квантовими ямами. На сапфіровій підкладці, після буферного шару (30 нм), вирощують порівняно товстий (4 мкм) шар n- GaN: Si. Потім вирощують n-Al_0,1Ga_0,9N: Si (100 нм) і шар n- In_0,05Ga_0,95N:Si, які необхідні для інжекції електронів і для узгодження ґратки підкладки з активним шаром. В активному шарі In_xGa_1-xN (x = 0,43, 2 нм) ширина забороненої зони для зелених світлодіодів відповідає випромінюванню на довжині хвилі 505 – 525 нм. Вона змінюється від блакитної до жовтої при зміні х від 0,2 до 0,7 і залежить від товщини шару. Потім йде бар’єрний шар р- Al_0,1Ga_0,9N: Mg (100 нм), який узгоджує решітку з верхнім шаром р- GaN:Mg (0,5 мкм), на який нанесений металевий контакт Nі-Au. Металічний контакт Ті-Al до нижнього шару n- GaN наноситься після стровлювання частини структури.

Фірма “Нічія” запатентувала ключеві етапи технології і розпочала постачати світлодіоди на ринок. У кінці 1997 року вона вже випускала 10-20 млн. блакитних і зелених світлодіодів у місяць. У січні 1998 р ця ж фірма розпочала випуск білих світлодіодів.

Масове використання цих світлодіодів у світлосигнальній апаратурі уже розпочалось. У містах Києві та Москві встановлено дорожні світлодіодні світлофори, які виготовлені в Росії на базі японських і американських світлодіодів. Вони довговічні і економлять електроенергію. В Японії розпочали встановити рекламні екрани із світлодіодів. Проектуються телевізори з розмірами екранів більше 70 см по діагоналі, в яких кожна світла точка – із світлодіодів трьох кольорів: синього, зеленого і червоного; і таких точок понад сто тисяч.

У грудні 1995 р фірма “Начія” повідомила, що структури на основі GaN з багаточисельними квантовими ямами Ga_1-xIn_xN / GaN дозволили створити інжекційний лазер на довжину хвилі 417 нм. У жовтні 1997 р. Ш. Накамура зробив доповіть про роботу подібних лазерів з довжинами хвиль 380-420 нм при кімнатній температурі на протязі більш ніж 1000 годин, а уже в червні 1998 р цим же автором повідомлялось про те, що час роботи лазерів складає до десяти тисяч годин. Такий успіх вдалося досягти завдяки зменшенню густини дислокацій і дефектів, що виникають із-за різниці сталих решітки сапфіру і GaN.

Конструкція лазерів показана на рис.2 Після початкових етапів епітаксіального росту на поверхню шару GaN наносили маску із смужок оксиду кремнію. Подальше осадження здійснювали через вікна у масці, і шар розростався не тільки у напрямі, перпендикулярному площині підкладки, але і зверху шару SiO₂, паралельно йому. При паралельному рості дислокації заростали і над маскою SiO₂ їх густина була на два-три порядку менша, ніж над вікнами у масці. Потім нарощували надрешітку із 120 пар шарів n -Al_xGa_1-xN:Si/GaN по 2 нм, яка служила для компенсації механічних напруг і для інжекції шарами In_xGa_1-xN з різними значеннями х, а активний шар – п’яти парами шарів In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN. Зверху хвилеводних шарів наносилась надрешітка із 120 пар шарів р -Al_xGa_1-xN:Mg/GaN по 2 нм товщиною для інжекції дірок в активну область, а потім – шар GaN:Mg з
контактом.

У січні 1999 р фірма “Нічія” оголосила про випуск лазерів на довжину хвилі 400 нм з потужністю в когерентному режимі біля 5 мВт при робочому струмі 40 мА. За першим повідомленням про короткохвильовий напівпровідниковий інжекційний лазер послідували публікації інших японських груп, а також дослідників із Каліфорнійського університету, Університету Північної Кароліни, фірм "Ксерокс"”і "Хьюлетт – Паккард”.

Області використання. Використання фіолетових, блакитних і чисто зелених випромінювачів дозволить покращити якість і швидкість повнокольорового друку. Компактдиски при заміні лазерів GaAs з довжиною хвилі 800 нм на лазери із GaN з удвічі меншою довжиною хвилі будуть мати у чотири рази більшу густину запису інформації: за прогнозами у 2005 р. на дискові буде уміщатись 16-20 гб. Цього вистачить для запису на 6-8 годин музики або двох повнометражних відеофільмів.

Об’єм продажу нітридних матеріалів, структур і приладів в усьому світі склав в 1996 р біля 220 млн. дол. США. Річний приріст – 50 %. Причому це не фінансова піраміда ГКО, а “високі технології”.