NOBELOVA NAGRADA ZA FIZIKO 2014 IN REVOLUCIJA V OSVETLJEVANJU
MARKO ZGONIK
Fakulteta za matematiko in fiziko, Univerza v Ljubljani Institut »JoZef Stefan«
PACS: 01.75.+m, 85.60.Jb, 42.72.-g
Isamu Akasaki in Hiroshi Amano z Univerze v Nagoji ter Shuji Nakamura, ki je deloval v podjetju Nichia Chemicals na Japonskem, sedaj pa je profesor v ZDA, so letoSnji Nobelovi nagrajenci za fiziko. Clanek opise pot do izdelave modre LED na osnovi GaN. Posebej uporabna pa je modra LED v kombinaciji s fluorescenčno pretvorbo v belo svetlobo. Tako smo dobili izvor bele svetlobe, ki je ucinkovit, ima dolgo zivljenjsko dobo in je okolju prijazen.
NOBEL PRIZE IN PHYSICS 2014 AND LIGHTING REVOLUTION
Isamu Akasaki and Hiroshi Amano from Nagoya University and Shuji Nakamura, formerly from a Japanese company Nichia Chemicals, at present a professor in the U.S.A., were awarded the 2014 Nobel Prize in Physics. The article describes the pathway to the invention of blue LED based on GaN. Fluorescent conversion of the blue emission into the white light makes blue LEDs especially versatile. The new white light source is efficient, durable and environmentally friendly.
Letošnja nagrada za fiziko je bila podeljena za Široko uporaben izdelek, to je modro svetlečo diodo, kije omogočila izdelavo novih, energijsko varčnih izvorov bele svetlobe, ki so tudi prijazni do okolja in imajo dolgo zivljenjsko dobo. Nagrado so si razdelili trije raziskovalci, Isamu Akasaki in Hiroshi Amano z Univerze v Nagoji ter Shuji Nakamura, ki je deloval v podjetju Nichia Chemicals na Japonskem, sedaj pa je professor v ZDA [8].
Nagrajeno odkritje je izrazito tehnične narave in se en primer, kako uporabni so polprevodniki in kako daleč je mogoče izpopolnjevati njihovo tehnologijo. Podobno, kot velja za siličij Mooreov zakon - podvojitev gostote tranzistorjev vsaki dve leti - naj bi za svetleče diode veljal Haitzev zakon [9]. Ta predvideva, da se čena enega lumna (lm) svetlobne energije zniza na eno desetino vsakih deset let. V Evropi porabimo za razsvetljavo priblizno 20 % vse proizvedene električne energije. Razmerje med učinkovitostjo modernih izvorov in klasičnih zarnič je več kot 4, in tako ni presenetljivo, daje Evropska komisija leta 2009 [10] začela uvajati ukrepe, ki postopno prepovedujejo prodajo klasičnih zarnič, ki naj jih delno nadomesčajo halogene zarniče, predvsem pa varčne fluoresčenčne in LED sijalke. Neposredna prednost LED pred fluoresčentnimi sijalkami je njihov izsev v polprostor in večja svetlost. S tem je povezana moznost usmerjanja in doseganje svetilnosti,
213	Obzornik mat. fiz. 61 (2014) 6

Marko Zgonik
Slika 1. V pn spoju, skozi katerega tece tok v prevodni smeri, se rekombinirajo elektroni in vrzeli, pri tem pa lahko dobimo fotone z energijo, pribliZno enako sirini energijske reZe. a) enojni pn spoj, b) dvojni spoj (heterostruktura) z vmesnim polprevodnikom z manjso energijsko rezo, ki deluje kot enodimenzionalna kvantna jama, v kateri se mocno poveca koncentracija nosilcev naboja.
kakrsno sicer dosegamo s halogenimi reflektorskimi žarnicami z desetkrat vecjo porabo električne energije.
Raziskave polprevodniskih izvorov svetlobe so se začele že kmalu po odkritju tranzistorja. Rekombinacija elektrona in vrzeli, pri čemer se izseva foton, je idealni mehanizem pretvorbe električne energije v svetlobo. Tako rekombinacijo lahko preprosto dosezemo v polprevodniski diodi, ki jo napajamo v prevodni smeri, kar shematicno prikazuje slika 1. V pn spoju je treba poskrbeti, da so drugi mehanizmi rekombinacije manj verjetni. Hitro so ugotovili, da so za ta namen potrebni direktni polprevodniki, to so tisti, pri katerih imata elektron z najnizjo energijo v prevodnem pasu in vrzel z najvisjo energijo v valencnem pasu enaki gibalni kolicini. Razlog je v zanemarljivi gibalni kolicini fotona, pri procesu rekombinacije pa se ohranjata tako energija kot gibalna kolicina. Odvisnost energije elektronov od valovnega vektorja je shematicno prikazana na sliki 2. Tehnologija silicija je izredno razvita, vendar je Si indirektni polprevodnik in torej ne ustreza temu pogoju. Kljub temu raziskovalci se danes poskusajo vse mogoce, da bi izdelali svetlobni izvor na tej osnovi.
214
Obzornik mat. fiz. 61 (2014) 6
Nobelova nagrada za fiziko 2014 in revolucija v osvetljevanju
Slika 2. Shema energije elektronov v odvisnosti od velikosti valovnega vektorja v določeni smeri. Za prevodni pas sta prikazani dve odvisnosti, ki ponazarjata direktne in indirektne polprevodnike. V pn spoju se srečajo elektroni z minimalno in vrzeli z maksimalno energijo. V direktnih polprevodnikih je mozna rekombinacija z izsevanjem fotona, v indirektnih pa je potrebna se ena ekscitacija, npr. fonon, da je v procesu zadosčeno ohranitvi gibalne količine.
Med direktne polprevodnike sodijo mešani kristali iz 3. in 5. skupine elementov, ki jim pravimo III-V polprevodniki. GaAs z energijsko reZo 1,4 eV je bil prvi med njimi, katerega tehnologija se je začela hitro razvijati v sestdesetih letih predvsem zaradi obljub o hitrejsi elektroniki. Leta 1962 so prvič izmerili emisijo infrardeče svetlobe iz pn spoja v GaAs [5]. III-V kristali, v katerih sta V elementa As in P, so postali osnova LED diod vse od infrardečega do zelenega dela spektra. Z mesanjem As in P ter kovin Al, Ga in In je namrec mogoce poljubno izbrati energijsko rezo in s tem valovno dolzino LED. V letu 1962 so izdelali tudi prvi laser na tej osnovi, ki je najprej deloval le pri temperaturi tekočega dusika (77 K). Razvoj polpre-vodniskih heterostruktur, za katere sta leta 2000 Z. I. Alferov in H. Kroemer dobila Nobelovo nagrado, je omogočil boljso kontrolo prostora, v katerem se rekombinirajo elektroni in vrzeli. S tem so zmanjsali izgube in prag laserskega delovanja. Laserske diode na osnovi mesanih kristalov GaAsP, ki delujejo pri sobni temperaturi, pa so postale s iroko uporabne.
Iskanje materialov s sir so energijsko rezo, ki jih je mogoče dopirati, se je nadaljevalo. Izkazalo se je, da je ta naloga prečej zapletena. Moznost p in n dopiranja je postala osnova za razlikovanje med polprevodniki in izolatorji. Kandidata za izdelavo modre LED sta bila v začetku kristala ZnSe in SiC, oba indirektna polprevodnika in zato z nizkimi izkoristki. Du s ikovi spojini
213-219
215
Marko Zgonik
GaN in AlN sta direktna polprevodnika z energijskima režama 3,4 in 6,5 eV in so zato njune zlitine primerne za LED z valovnimi dolžinami od 400 do 200 nm. Material tudi ni strupen, kar ga loci od mnogih drugih III-V in II-VI polprevodnikov.
Gojenje tankih kvalitetnih kristalnih plasti GaN na substratu iz safirja je prvic uspelo Akasakiju in sodelavcem leta 1986 [1]. Tehnologija rasti je bila tako imenovana MOVPE (metalorganic vapour phase epitaxy). Safir je relativno poceni v primerjavi s SiC, ki je sicer boljsi substrat, saj se njegova mrezna konstanta bolj sklada z mrezno konstanto GaN. Uspesno rast na safirju so dosegli v vec korakih, prikazanih na sliki 3. Najprej so nanesli tanko (30 nm) polikristalno plast AlN pri temperaturi 500 °C in jo potem segreli na 1000 °C. Pri tem se je plast prekristalizirala tako, da so se kristalckom uredile heksagonalne osi. Na tej plasti je uspesno rastel GaN, sprva sicer z mnogimi dislokacijami, po nekaj ^m rasti pa se je gostota napak zelo zmanjsala in dobili so kvalitetno kristalno povrsino, na katero so lahko naprej nanasali vecplastne strukture ustrezno dopiranega GaN, kakrsne so potrebne za izdelavo LED.
Tudi probleme z dopiranjem so resili po mnogih poskusih. Izdelava p-tipa polprevodnika s siroko rezo je vedno tezavna naloga, saj se poleg namernega dopiranja v prepovedanem pasu pojavi se vrsta drugih elektronskih nivojev, ki so posledica napak v strukturi in nenamernega onesnazenja kristalov. Prve plasti p-GaN so uspesno naredili Amano, Akasaki in sodelavci z Mg dopiranjem, plast pa so dodatno obsevali z nizkoenergijskimi elektroni [2]. Nakamura je kasneje razlozil mehanizem aktivacije donorjev Mg in Zn, ki pri nizkih temperaturah tvorijo nevtralne komplekse z vodikom. Elektroni, UV osvetljevanje in v primeru GaN tudi popuscanje pri visoki temperaturi pa te komplekse disociirajo in aktivirajo akceptorje [3].
Tehnologijo heterostruktur p-dopiranih zlitin AlGaN in InGaN, kakr-sne so potrebne za izdelavo učinkovitih svetlobnih izvorov, sta obe skupini
Slika 3. Priprava podlage za izdelavo GaN LED.
216
Obzornik mat. fiz. 61 (2014) 6
Nobelova nagrada za fiziko 2014 in revolucija v osvetljevanju
p-elektroda
p-GaN p-AIGaN Zn dopiran InGaN n-AIGaN n-GaN
osnovna GaN plast safir
Slika 4. Struktura modre LED z dvojno heterostrukturo na osnovi InGaN-AlGaN.
potem hitro izboljševali. Pri tem so se Nakamura in sodelavci osredotočili na kombinaciji InGaN/GaN in InGaN/AlN, s katerima so izdelovali hetero-strukture in kvantne jame. S strukturo, prikazano na sliki 4, so v letu 1994 dosegli kvantni izkoristek 2,7 % [2]. Ta doseZek je nakazal nadaljnjo pot in v naslednjih dveh letih sta obe skupini izdelali prototipe modrih laserskih diod. LED in laserske diode z valovnimi dolzinami v modro vijoličnem delu spektra so postopoma postajale vse dostopnejse. Naslednji korak v razvoju pa bodo polprevodniski izvori v UV področju, kjer se je z AlN mogoče priblizati valovni dolzini 200 nm [7].
LED diode so tehnolosko manj zahtevne od laserjev, saj nimajo praga delovanja in so koristni ze spontano izsevani fotoni. Tezava z izkoristkom LED pa je v tem, da je spontano sevanje izotropno porazdeljeno in je v zrak izsevan le majhen delez, preostala svetloba pa se odbije na meji polprevodnik/zrak. Ta omejitev je posebej huda zaradi velikega lomnega količnika polprevodniskih materialov, npr. 3,5 v GaAs pri valovni dolzini 1 ^m oziroma 2,5 v GaN pri 450 nm. Iz kvadra GaN tako lahko pobegne v zrak le svetloba znotraj stozčev, ki jih omejuje kot totalnega odboja 22 stopinj, pa se ta svetloba se delno odbije na meji. Skozi eno ravno golo ploskev tako preide le 3 % svetlobe. Ker je geometrija pn spoja vedno planarna, je treba stranske dimenzije LED zmanjsati in omogočiti izsev v ravnini spoja, vse skupaj prekriti s polimerom z visokim lomnim količnikom in ga oblikovati v ustrezno lečo. Se večji izkoristek pa doseze modra LED dioda v kombinačiji s fluoresčenčno pretvorbo v belo svetlobo. Na sliki 5 je prikazana shema bele LED diode z visokim izkoristkom. Kot totalnega odboja na meji med polprevodnikom in polimerom z razprsenim fluoresčentnim prahom je pove-
213-219
217
Marko Zgonik
polimerna leča fluorescentna plast
modra LED - safirni substrat keramična podlaga
Slika 5. Shema bele LED s povečanim izkoristkom in tehnologijo COB (Chip On Board). Tipično je na podlago nameščenih več takih elementov
can zaradi velikega lomnega količnika polimera, zmanjša se odbojnost meje in tudi totalni odboj ni več »totalen«, ampak zmanjšan zaradi absorpcije evanescentnega vala v fluorescentnem prahu. Dodatna polimerna leča nato še poveca prehodnost svetlobe na mejah s fluorescentno plastjo in zrakom ter usmeri svetlobo.
Ker je bila nagrada podeljena s poudarkom na siroki uporabnosti modrih LED za osvetljevanje, ponovimo nekaj podatkov o tem. Za osvetljevanje je pomemben fizioloski odziv oci. Zvezni spekter bele svetlobe lahko za osvetljevanje dovolj dobro nadomestimo z ustrezno mesanico ozjih spektralnih pasov. Dobro znano je aditivno mesanje rdece, zelene in modre barve, s katerim lahko dosezemo zelo sirok nabor barvnih odtenkov. Zamik maksimuma spektra od rdece proti modri barvi merimo z barvno temperaturo (CCT, Correlated Color Temperatute), ki enaci zaznavo barve svetila z barvo cr-nega telesa pri ustrezni temperaturi [11]. Kvaliteto bele mesanice pa meri indeks barvne reprodukcije (CRI, Color Rendering Index) [12]. Ta primerja pravilnost vidne zaznave za razlicne barvne ploskve, osvetljene s testnim svetilom in z referencnim izvorom, ki je standardno halogena zarnica s temperaturo nitke 3200 K in z vrednostjo CRI = 100. Dobre fluorescentne in LED sijalke dosegajo vrednosti CRI do 90.
Poleg barvne zaznave je zelo pomembna tudi svetlost in s tem izkoristek svetila. Oko je najbolj obcutljivo za rumenozeleno svetlobo pri valovni dolzini 555 nm, kjer je relativna obcutljivost najvecja in je iz zgodovinskih razlogov dogovorjeno razmerje 683 lm/W [6]. Obicajna zarnica, ki dobro ustreza crnemu telesu pri temperaturi 2800 K, oddaja priblizno 15 lm/W, pri soncu pa je razmerje 94 lm/W. Učinkovitost fluorescencnih sijalk je okoli 60 lm/W, medtem ko so tipicne vrednosti LED sijalk se visje, to je okoli 90 lm/W. Za obe vrsti velja, da je ucinkovitost visja pri barvni temperaturi okoli 6000 K.
Ucinkovitost LED sijalk se je v zadnjem casu hitro povecevala in v laboratoriju so ze dosegli vrednosti 300 lm/W. Ta vrednost je blizu teoreticnega maksimuma 348 lm/W za osvetljevanje z idealnim svetlobnim izvorom. Tak izvor bi seval spekter crnega telesa pri temperaturi 5800 K v omejenem ob-
218	Obzornik mat. fiz. 61 (2014) 6
Nobelova nagrada za fiziko 2014 in revolucija v osvetljevanju
močju od 450 nm do 660 nm, kjer občutljivost očesa ne pade pod 5 % najvišje vrednosti [13].
Z nadaljnjim razvojem tehnologije se bo uporabnost belih svetlobnih izvorov, osnovanih na GaN, sirila na nova področja. Za osvetljevanje te-kočekristalnih prikazovanikov v televizorjih in računalniskih monitorjih so se LED diode ze izkazale, osvetljevanje prostorov osvaja ta tehnologija z velikimi koraki, avtomobilska industrija pa bo kmalu zamenjala vse izvore svetlobe s polprevodni skimi. Vse to upravičuje odločitev za podelitev letos nje Nobelove nagrade za fiziko.
LITERATURA
[1]	H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki in Y. Toyoda, Metalorganic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer, Appl. Phys. Lett. 48 (1986), 353.
[2]	H. Amano, M. Kito, K. Hiramatsu in I. Akasaki, p-type conduction in Mg-doped GaN treated with low-energy electron beam Irradiation (LEEBI), Jpn. J. Appl. Phys. 28 (1989), L2112.
[3]	S. Nakamura, N. Iwasa, M. Senoh in T. Mukai, Hole compensation mechanism of p-type GaN films, Jpn. J. Appl. Phys. 31 (1992), 1258.
[4]	S. Nakamura, T. Mukai in M. Senoh, Candela - class high - brightness InGaN/AlGaN double - heterostructure blue - light - emitting diodes, Appl. Phys. Lett. 64 (1994), 1687.
[5]	J. I. Pankove, Tunneling-assisted photon emission in gallium arsenide pn junctions, Phys. Rev. Lett. 9 (1962), 283-285.
[6]	J. Strnad, Uvod v fiziko, II. del, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 1971.
[7]	J. Xie, S. Mita, Z. Bryan, W. Guo, L. Hussey, B. Moody, R. Schlesser, R. Kirste, M. Gerhold, R. Collazo in Z. Sitar, Lasing and longitudinal cavity modes in photo-pumped deep ultraviolet AlGaN heterostructures, Appl. Phys. Lett. 102 (2013), 171102.
[8]	The Nobel prize in physics, http: //www.nobelprize . org/nobel\_prizes/physics/, ogled 24. 10. 2014.
[9]	Tha Haitz's Law, http://www.nature.com/nphoton/journal/vi/ni/full/ nphoton.2006.78.html, ogled 24. 10. 2014.
[10]	Vec svetlobe z manj energije, http://ec.europa.eu/energy/lumen/index\_sl.htm, ogled 10. 12. 2014.
[11]	What is correlated color temperature, http://www.lrc.rpi.edu/programs/nlpip/ lightinganswers/lightsources/whatisCCT.asp, ogled 12. 12. 2014.
[12]	Color rendering index, http: //en.wikipedia. org/wiki/Color\_rendering\_index,
ogled 28. 10. 2014.
[13]	Luminous efficacy, http://en.wikipedia.org/wiki/Luminous\_efficacy, ogled 10. 12. 2014.
http://www.dmfa-zaloznistvo.si/
213-219
219