Нобелевская премия по физике 2014 презентация

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 energy-efficient 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.»

Мейжи

Хироши Амано,1960, профессор университета Нагоя, Япония

Шуджи Накамура,1954, профессор Калифорнийского университета Санта Барбара, США, (Nichia Chemicals, a Tokushima, Japan)

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)

Олег Владимирович Лосев

hetero-junction injection lasers Proc. IEEE 51 1782–3
Алферов Ж.И., Казаринов Р.Ф. «Полупроводниковый лазер с электрической накачкой» Авт. свид. №181737. Заявка № 9508/26-25. Заявлено 30.03.1963

Два важных преимущества: уменьшение поглощения в контактных областях и возможность изменения дины волны

Ж.И.Алферов

предпринята в работе H.P.Maruska, J.J.Tietjen The preparation and properties of vapor-deposited 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.

Панчешников)

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- изолятор- полупроводник).

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)

пьезоэлектрические свойства.
Поэтому в структурах имеются сильная встроенная поляризация (электрическое поле) и поляризация обусловленная деформацией (поля ~ 5 *106 V/cm). Носители стремятся его заэкранировать.

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.

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

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).

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.