1.2.4 Создание светодиода
Создание непосредственно светодиода – это заключительный этап технологической цепочки. Создается корпус будущего источника света, монтируются выводы, подбирается люминофор (если он необходим). Но особо стоит отметить такую важную часть, как оптическую систему (а именно, изготовление линз). Линзы для светодиодов изготавливают из эпоксидной смолы, силикона или пластика. К ним предъявляется широкий спектр требований, т.к. оптическая система светодиода играет большую роль (направляет световой поток светодиода в нужный телесный угол).
Линзы должны:
- быть максимально прозрачными;
- пропускать свет во всем оптическом диапазоне;
- обладать хорошей клейкостью материала к материалу печатной платы;
- быть температурно стабильными;
- обладать высоким сроком службы (что характеризуется к воздействию излучения кристалла и химическому воздействию люминофора, если таковой применен).
Благодаря большому количеству положительных качеств (малой потребляемой мощностью, отсутствию ртути, низкому напряжению питания, высокой надежности, малым габаритам и т.д.), на основе светодиодов создаются разнообразные и высококачественные осветительные светодиодные приборы. Можно долго перечислять различные типы светодиодных светильников: это и прожекторы, и линейные светодиодные светильники, и светильники общего или специального назначения. Однозначно можно сказать, что светодиоды – это динамично развивающиеся источники света. А технология производства светодиодов – сфера деятельности высококлассных мировых специалистов, способных достигать все более хороших результатов.
1.3 Материалы, параметры и конструкции светодиодов
Твердый раствор InGaN появился в начале 1990-х гг., а во второй половине 1990-х гг. на его основе уже были созданы промышленные светодиоды, излучающие в синем и зеленом диапазонах спектра. В настоящее время светодиоды на основе InGaN - основные сверхъяркие светодиоды синего и зеленого свечения.
Структура светодиода с множественными квантовыми ямами представляет собой довольно сложный “пирог”. На сапфировой подложке, после буферного слоя AlN (толщиной 30 нм), выращен относительно толстый (4 мкм) слой n-GaN:Si. Затем идет активный нелегированный слой, состоящий из пяти чередующихся квантовых ям InxGa1–xN (3-4 нм) и барьеров GaN (4-5 нм). Эффективная ширина запрещенной зоны квантовых ям InxGa1–xN соответствует излучению от голубой до желтой области (450-580 нм), если состав активного слоя меняется в пределах x = 0.2-0.4; она зависит и от толщины d. Расположенный выше барьерный широкозонный слой p-Al0.1Ga0.9N:Mg (100 нм) инжектирует дырки и согласует решетку с решеткой верхнего слоя p-GaN:Mg (0.5 мкм), на который нанесен металлический контакт Ni-Au. Второй металлический контакт (Ti-Al) с нижним слоем n-GaN создается после стравливания части структуры.
Рисунок 1 - Схема светодиода на основе гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами.
2. Расчётная часть
Длина волны λ = 480 нм.
Предполагаемый материал гетероструктуры: GaN/InxGa1-xN
Определим энергию кванта света, Е:
Е=h*c/𝜆
где h - постоянная Планка, 6.626∙ 10−34;
с - скорость света, 2,998*108 м/с.
3,991*10-19
Дж = 2,444 эВ
Проверка по постоянным решеток:
𝑎(𝐺𝑎𝑁)=𝑎(𝐼𝑛𝐺𝑎1−𝑥𝑁)
𝑎(𝐺𝑎𝑁)=𝑎(𝐼𝑛𝑁)𝑥+𝑎(𝐺𝑎𝑁)(1−𝑥)
𝑎(𝐺𝑎𝑁)=0.95∙(𝑎(𝐼𝑛𝑁)𝑥+𝑎(𝐺𝑎𝑁)(1−𝑥))
0.316=0.95∙(0.3533𝑥+0.316−0.316𝑥)
𝑥=0.44
𝑎(𝐺𝑎𝑁)=1.05∙(𝑎(𝐼𝑛𝑁)𝑥+𝑎(𝐺𝑎𝑁)(1−𝑥))
0.316=1.05∙(0.3533𝑥+0.316−0.316𝑥)
𝑥<0 не подходит
𝑥∈[0;0.44]
𝐸𝑔(𝐼𝑛𝑥𝐺𝑎1−𝑥𝑁)<𝐸
При x = 0.44
2.008 < 2.444
Условие выполняется.
Рассчитаем максимальную толщину квантовой ямы, 𝑎𝑚𝑎𝑥:
𝑎𝑚𝑎𝑥=
где m*e - эффективная масса электрона, кг;
k - постоянная Больцмана, 1,38*10-23;
Т - температура, 300 К.
𝑎𝑚𝑎𝑥=
Наименьшая толщина квантовой ямы будет при максимальном х=0,44 нм, поэтому:
𝑎𝑚𝑖𝑛=
где Eg1 - ширина запрещённой зоны первого материала, 3,4 эВ;
Еg2 - ширина запрещённой зоны второго материала при х=0,44;
ħ - приведённая постоянная Планка, 1,05*10-34;
n - энергетический уровень (принят 1,95).
𝑎𝑚𝑖𝑛=
=7,63 нм
Рассчитаем искомую толщину квантовой ямы 𝑎 и молярное содержание х с помощью следующей системы уравнений:
Рисунок 2 - Расчёт системы уравнений в PTC "MathCAD"
𝑎𝑚𝑖𝑛 <𝑎< 𝑎𝑚𝑎𝑥 x<0,44
Таким образом, х=0,29 𝑎=8,77 нм, что удовлетворяет условиям:
𝑎𝑚𝑖𝑛 <𝑎< 𝑎𝑚𝑎𝑥
x<0,44.
Вывод
Самой важной и самой сложной составляющей процесса изготовления светодиода является создание гетероструктуры. При разработке гетероструктуры, помимо выполнения условий по соответствию энергетического зазора выбранной длине волны, следует обращать особое внимание на отклонение постоянных кристаллической решётки выбранных материалов, так как эти отклонения очень сильно влияют на процент брака при производстве. В ходе проделанной работы была рассчитана гетероструктура, в которой отклонение постоянных кристаллической решётки составило 3,4%, что является допустимым, но не оптимальным отклонением.
В целом, выполненный расчёт гетероструктуры для светодиода синего спектра и длиной волны 480 нм, можно считать успешным, так как полученная гетероструктура удовлетворяет основным требованиям, предъявляемым к ней.