Стекло вместо сапфира для светодиодов на основе GaN с большой светоотдачей

Одной из причин высокой стоимости СИД является дороговизна сапфировой подложки. Пока большинство ученых пытаются заменить ее на кремний, некоторые сразу заменяют ее на стекло.

Первые свтодиоды (СИД) в 1970 были ограничены красным и инфракрасным диапазоном вплоть до 1994 года, когда исследователи разработали первый яркий синий СИД, что можно считать рождением «твердотельного освещения».

Благодарить за это достижение следует двух японских ученых – Сюдзи Накамура из Nichia и Исаму Акасаки из Университета Нагоя, которые разработали полупроводник на основе GaN в 1980-х годах.

Хотя исследования материалов на основе GaN началось еще в конце 1960-х годов, низкое качество материала – в частности, неспособность получить допирование р-типа – препятствовало их развитию, пока в 1989 году эта проблема не была преодолена. Как только синие светодиоды стали доступны, исследователи смогли достичь и белого свечения путем введения желтого фосфора.

К концу 1990-х годов световая эффективность белых светодиодов достигла уровня лампы накаливания (~ 15 Лм/Вт), а к 2011 году их производительность превышает 200 лм/Вт для лабораторных образцов и 100 лм/Вт для коммерческих устройств.

Сегодня нитриды элементов III группы для СИД наносятся при высоких температурах на монокристаллические сапфировые подложки, чтобы обеспечить высокое качество кристаллов. Причина тому – особое эпитаксиальное соотношение между нитридами элементов III группы и сапфира, а именно поворот решетки GaN на 30° по отношению к решетке сапфира позволяет добиться идеальной ориентации кристалла вдоль оси [0001]. Тем не менее, плотность дефектов, которые состоят в основном из прорастающих дислокаций, по-прежнему очень высока (> 10⁸ см^-2). К счастью, нитриды элементов III группы обладают способностью эффективно излучать свет даже в присутствии большой плотности дефектов – способность, которая приписывается локализации носителей заряда в квантовых колодцах InGaN.

Внутренняя квантовая эффективность синего светодиода составляет около 90%, эффективность выхода света также близка к 90%, что означает, что внешняя квантовая эффективность достигает 80%, что в десять раз лучше лампы накаливания.

Учитывая нынешнюю эффективность белых светодиодов, которые в настоящее время превосходит другие популярные источники света с точки зрения и эффективности, и срока службы (которая обычно оценивается примерно в 50 000 часов), может показаться странным, что эти устройства до сих пор не стали широко распространены для домашннго освещения. Это связано с рядом причин, наиболее значимой из которых является высокая стоимость изготовления ($18 за штуку по сравнению с <$1 для ламп накаливания). Значительные усилия исследователей по всему миру в настоящее время направлены на сокращение издержек производства при сохранении яркости и эффективности.

Казалось бы, простой способ понижения стоимости люмена света – это работа СИД под гораздо более высоким током. К сожалению, это приводит к тому, что светоотдача резко падает.

Еще один способ снижения затрат – это использование альтернативного материала подложки вместо сапфира. Изготовление белых светодиодов на таких подложках как кремний привлекает все больший интерес. А недавно Хи Чой и сотрудниками сообщили и о реализации светодиодов на основе GaN с достаточно большой светоотдачей на еще более дешевой, чем кремний, подложке: на стекле!

Рис. 1. Схема роста нитрида галлия на стекле, покрытом титановой пленкой.

Чой и соавт. успешно выростили кристаллический GaN на аморфной подложке. Ключевым моментом их работы является развитие предпочтительной кристаллографической оси роста GaN для избежания образования поликристаллического материала с границами зерен, которые могут препятствовать работе устройства. Этого удалось достичь путем введения тонкого слоя титана между GaN и стеклом. Исследователи выбрали титан из-за его гексагональной структуры и относительно низкого рассогласования решетки с GaN. Титан обладает собственной термодинамической ориентацией при нанесении на стекло: ось с каждого зерна ориентирована параллельно направлению роста. Это приводит к правильной ориентации слоев кристалла GaN, но не дает контроля в плоскости подложки, что приводит к образованию зерен. Чтобы избавиться от зернистой структуры, Чой и соавт. отошел от идеи непрерывно растущих двумерных слоев GaN, сосредоточившись на создании массива трехмерных структур, таких как пирамиды или волокна, которые могут быть выращены без структурных дефектов. Высокотемпературный рост GaN на поверхности привел к созданию бездефектных пирамид микрометрового масштаба.

Рис. 2. Массив пирамидок нитрида галлия на стекле, покрытом титановой пленкой.

Исследователи осадили InGaN/GaN поверх массива пирамид для формирования активной области, затем наносили тонкий слой легированного GaN р-типа, затем слой ITO в качестве верхнего электрода. Большинство микро-светодиодов обладали электролюминесценцией, цвет и интенсивность которой, однако, варьировались вдоль подложки. Качество структуры отдельных микро-светодиодов привело к высокой внутренней квантовой эффективности (52%). Тем не менее, в среднем на пластине внешняя квантовая эффективность была довольно низкой (<1%).