Си́ний светодио́д — светоизлучающий оптоэлектронный полупроводниковый прибор с синим цветом свечения.

Технологии

Для создания синего светодиода требуется использование полупроводников с большой шириной запрещённой зоны , поскольку энергия излучаемых фотонов , возникающих при рекомбинации электронов и дырок , зависит именно от этой величины. Полупроводниками с большой шириной запрещённой зоны являются карбид кремния , соединения элементов II и IV группы таблицы Менделеева и нитриды элементов III группы. Промышленные синие светодиоды производятся из двойного гетероструктурного кристалла нитрида галлия (GaN), в котором в зоне p-n-перехода вставлен излучательный слой нитрида индия-галлия (InGaN) . В качестве подложки для кристалла используется карбид кремния или сапфир .

Кроме того, созданы синие светодиоды на основе карбида кремния и оксида цинка , однако первые обладают слишком низким и, как следствие, низким КПД , а вторые имеют слишком большое удельное сопротивление, из-за этого они перегреваются. Подобные изделия не получили широкого распространения и в настоящее время не производятся.

История создания

Первый синий светодиод был создан ещё в 1971 в компании RCA . Его разработал Жак Панков , создавший светодиод на основе нитрида галлия .

Первые промышленные синие светодиоды на основе карбида кремния серийно выпускались в 1980-х годах , в том числе и в СССР. Однако их яркость была весьма невелика, поэтому они не получили существенного распространения.

К 1980-м годам не существовало эффективных способов выращивания кристаллов и использования нитрида галлия. В конце 1980-х годов Исаму Акасаки и Хироси Амано усовершенствовали метод эпитаксиального выращивания кристалла и смогли получить синий светодиод на одиночном p-n-переходе, используя буферный слой AlN и разработанный им способ получения, однако его эффективность была низкой.

С 1989 по 1995 год Японский инженер Сюдзи Накамура , работавший в то время на японскую корпорацию « Nichia Chemical Industries », решил ряд проблем производства светодиодов на основе нитрида галлия. Сначала он смог улучить технологию производства GaN путём MOC-гидридной эпитаксии на сапфировой подложке, что позволило производить высококачественные кристаллы GaN. Затем он нашёл решение проблемы получения полупроводника p-типа. В 1991 году Накамура продемонстрировал пригодный к промышленному производству синий светодиод с одиночным p-n-переходом , с максимумом излучения с длиной волны 430 нм, но эффективность его была по-прежнему мала . Наконец, завершающим шагом, значительно повысившим эффективность излучения, было внедрение двойной гетероструктуры n-GaN—InGaN—p-GaN. Слой нитрида индия-галлия является активным, он захватывает свободные электроны, в нём происходит рекомбинация и излучение происходит наиболее эффективно. Меняя ширину слоя InGaN, можно изменять длину волны излучаемого света: это позволило получить не только синие, но высокоэффективные зелёные светодиоды .

Светодиод с двойной гетероструктурой и излучающим слоем InGaN стал промышленным стандартом для производства синих светодиодов. На основе синих светодиодов были изготовлены белые , представляющие собой синий кристалл, покрытый люминофором на основе алюмо-иттриевых гранатов. Такие светодиоды, обладая высокой светоотдачей , оказались эффективным источником света и стали применяться для освещения. Изобретение синего светодиода сделало возможным существование отрасли светодиодного освещения .

«Nichia Chemical Industries» выплатила Накамуре денежную премию, в то время эквивалентную 2000 долларов США. Изобретатель же посчитал, что его изобретение оценили недостаточно. Он обратился в суд и отсудил у «Nichia Chemical Industries» сумму в японских йенах, эквивалентную 7 млн долларов США.

К 1993 году компании «Nichia» удалось начать промышленный выпуск синих светодиодов нового типа. К 2002 году доля производства синих светодиодов у компании возросла до 60 процентов от общего объёма производства.

Позже также удалось создать ультрафиолетовые светодиоды на основе нитридных соединений галлия и алюминия.

В 2014 году за создание синих светодиодов японцам Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамуре (гражданин США) присуждена Нобелевская премия по физике .

Применение

Основным применением синих светодиодов является использование в качестве основы для создания люминофорных белых светодиодов различного назначения, используемых в том числе в целях освещения . В данной конструкции часть излучаемого кристаллом света поглощается люминофором и переизлучается в зелёно-красной области, создавая белое свечение. Различные составы люминофора позволяют получить белый свет различной цветовой температуры.

Кроме белых, созданы и другие люминофорные светодиоды, к примеру, пурпурные, «янтарные», «мятные» и «цвета лайма» .

Синие светодиоды без люминофора применяются в медиафасадах , светодиодных экранах , в декоративной RGB-подсветке.

Кроме того, синие, а так же созданные на их основе люминофорные пурпурные светодиоды применяются для искусственного освещения растений .

См. также

• Белый светодиод
• Искусственное освещение растений
• Медиафасад
• Лазерный диод

Примечания