Сегодня светодиоды воспринимаются как что-то обычное. Да, они эффективнее и долговечнее ламп накаливания, да, благодаря светодиодам у нас есть LED-подсветка и электроника, но всё это привычно и не считается чудом. Недавно мы узнали, что долгие годы существовали только красные и зелёные светодиоды. Нас так поразил факт о том, что создать синий светодиод было невероятно сложно, что мы хотим поделиться этой историей с вами.
За счёт чего светодиоды излучают конкретный цвет
Конкретный цвет света, излучаемого светодиодом, зависит не от цвета пластикового корпуса. Цвет зависит от полупроводникового материала и ширины запрещённой зоны полупроводника.
Ширина запрещённой зоны — это диапазон энергетических уровней в полупроводнике, которые должны преодолеть электроны, чтобы перейти из валентной зоны в зону проводимости и излучить свет. Чем шире запрещённая зона, тем выше энергия фотонов, которые излучает светодиод, и тем короче длина волны света.
Валентная зона — это самая высокая энергетическая зона, в которой находятся электроны. Она расположена на нижнем уровне, а над ней зона проводимости — зона, в которую попадают электроны с достаточной энергией для перемещения внутри материала. Запрещённая зона лежит между валентной и зоной проводимости:
Когда электрон переходит на другой энергетический уровень, он испускает энергию в виде света, который мы видим:
Цветовой спектр этого света охватывает все видимые цвета, и они упорядочены по возрастанию или убыванию длины волны. В начале цветового спектра находится красный свет: он имеет наибольшую длину волны среди всех видимых цветов. За красным следуют оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый цвета:
Полупроводники красных светодиодов имеют узкую запрещённую зону, так что для перехода электронов достаточно относительно небольшой энергии. В результате электроны излучают красный свет с длиной волны около 600–700 нанометров.
У полупроводников зелёных светодиодов более широкая запрещённая зона, и для перехода электронов нужно уже больше энергии. При этом электроны излучают зелёный свет с длиной волны около 500–550 нанометров.
В синих светодиодах запрещённая зона в полупроводниках ещё шире. Синий свет требует ещё более высокой энергии и более короткой длины волны в диапазоне 450–480 нанометров.
Как делают красные светодиоды
Красные светодиоды создаются с использованием полупроводникового материала с содержанием арсенида галлия GaS или фосфида галлия GaP.
Основные этапы производства такие:
- Полупроводниковый материал осаждается на подложке за счёт химических реакций или физического процесса. Например, молекулы полупроводника-кристалла подаются в виде пара на подложку в горячей камере — реакторе:
- На поверхность подложки наносится плёнка с примесями цинка или кремния.
- Подложку нагревают, и примеси проникают в подложку полупроводника, образуя неравномерность в его структуре. Это создаёт положительно-отрицательный переход — ключевой элемент светодиода.
- На подложку наносят металлические электроды из золота или алюминия — они будут служить для подключения светодиода к источнику питания.
- Полученную заготовку подвергают химической или лазерной обработке, чтобы удалить лишние слои материала и придать электроду нужную форму.
- Готовые светодиоды тестируют, чтобы убедиться, что они работают правильно и излучают нужный спектр света.
После этого светодиоды сортируют по яркости и эффективности для дальнейшего использования. Оттенки красных светодиодов могут различаться, но они ограничены в спектре красного цвета. Именно поэтому красный светодиод было создать проще всего — чтобы достичь излучения красного цвета, было достаточно контролировать содержание примесей в полупроводнике.
Как делают зелёные светодиоды
Основные этапы производства зелёных светодиодов сходны с процессом создания красных. Отличие лежит в полупроводниковых материалах и процессе контроля цвета.
Подложка зелёных светодиодов может содержать индиевый галлиевый нитрид InGaN или алюминиевый индиевый галлиевый фосфид AlInGaP. В них добавляются примеси, которые создают более широкую запрещённую зону, чем в красных светодиодах.
При контроле цвета требуется достичь нужной ширины запрещённой зоны и энергетического уровня, чтобы электроны излучали зелёный свет. В зависимости от этих параметров зелёные светодиоды могут излучать свет разных оттенков зелёного цвета — от бледного до насыщенного.
Почему было так сложно сделать синий светодиод
Когда уже появились красный и зелёный светодиоды, учёные десятилетиями не могли создать синий, в результате чего даже появилось мнение, что способ его создания никогда не будет найден и мы так и останемся только со светодиодами двух цветов.
В то время не было такого разнообразия полупроводниковых материалов, которые могли бы эффективно излучать синий свет. Доступные материалы не обладали достаточной шириной запрещённой зоны. Кроме того, для создания синего светодиода требовались почти идеальные полупроводниковые кристаллы. Дефекты или неоднородности в структуре приводили к низкой эффективности светодиода.
Решение для синих светодиодов
Исследования с целью создать синий светодиод в основном сосредоточились на использовании полупроводника селенид цинка ZnSe, а лучшей подложкой для него считался сапфир. Проблема была в том, что было известно только, как создать селенид цинка с отрицательным зарядом. А для работы светодиода нужен был также селенид цинка с положительным зарядом.
Ещё одним кандидатом для создания синего светодиода был другой полупроводниковый материал, нитрид галлия GaN. Но почти все учёные от него отказались: из нитрида галлия было очень сложно получить кристалл высокого качества, при этом также было неизвестно, как сделать такой материал с положительным зарядом.
Получалось, что для создания синего светодиода требовалось разработать совершенно новую структуру, которая была бы способна эффективно генерировать синий свет при подаче электрического тока. А для этого нужно было оптимизировать слои полупроводниковых материалов и контролировать энергетические уровни внутри светодиода.
И такую структуру сумели создать. Японский физик и изобретатель Сюдзи Накамура сосредоточился на изучении нитрида галлия GaN и стал искать способы сделать такой кристалл высокого качества. Он потратил около 10 лет на то, чтобы собрать специальную установку, в которой нитрид галлия наносился на подложку с идеальной точностью. Для этого он усовершенствовал установку, которую использовали его американские коллеги, и добавил ещё одно сопло в реактор:
С помощью этой установки Накамура сделал настолько гладкий нитрид галлия, что его можно осаживать на сапфировой подложке без какого-либо буферного слоя. За счёт этого он получил чистый кристалл нитрида галлия и сумел создать синий светодиод.
Что в результате
С появлением синего светодиода жизнь действительно изменилась. Теперь у нас есть множество электронных устройств, которые работают на светодиодах красного, зелёного и синего цвета, образуя все цвета видимого спектра и их оттенки. Светодиоды используются в различных областях:
- В бытовом и уличном освещении, автомобильных фарах и фонарях.
- В различных электронных устройствах, таких как телевизоры, компьютеры, мобильные телефоны и умные часы. Они могут быть использованы для индикации статуса, подсветки клавиатур, экранов и других элементов.
- В сигнальных огнях, светофорах, автомобильных указателях поворота, светодиодных дисплеях и информационных табло.
- В растениеводстве для выращивания растений в закрытом помещении. Они обеспечивают оптимальный спектр света, необходимый для фотосинтеза и роста растений.
- Для создания атмосферного и декоративного освещения внутри и снаружи зданий.
Всё это стало возможно благодаря тому, что один японский учёный проявил терпение и упорство, даже когда в него никто не верил. Давайте брать с него пример.
