Širokopásmové polovodiče GaN / InGaN - ultrafialové a viditelné světlo (GaN / AlGaN – výkonové součástky) Moderní témata FKL, J. Humlíček, 8.12.2020 • Generace světla v polovodičích, LED a lasery • III-V, nitridy • GaN • generace modrého, fialového a UV světla: Shuji Nakamura • luminifory - „bílé“ světlo • každodenní život s bílým světlem z GaN Elektromagnetické spektrum, světlo 10 3 10 6 10 9 10 12 10 15 10 18 10 21 frequency (Hz) kilo mega giga tera peta exa zeta visible THz, IR UV electronics photonics 1PHz  1 fs  0.3 m  33000 cm -1  4.1 eV  48000 K elektronika fotonika frekvence (Hz) VIS Termální zdroje světla - chaotický pohyb atomových jader a elektronů rozhoduje teplota (povrch Slunce, vlákno žárovky, kosmické mikrovlnné pozadí) Spektrální hustota záření černého tělesa (Planckův zákon) Luminiscenční dioda (LED, Light-Emitting Diode) p-n přechod v propustném směru excitace elektrickým polem, zářivá rekombinace IR emise z GaAs pozorována r.1955 (R. Braunstein, RCA), použitelné diody ve VIS od r. 1962 (N. Holonyak, TI) elektrondíra světlo vodivostní pás valenční pás zakázaný pás (gap) rekom- binace p-n přechod polarizovaný v propustném směru, rekombinační proud rekombinační procesy Luminiscenční dioda (LED, Light-Emitting Diode) Energie gapu v oblasti rekombinace excitovaných nosičů („aktivní oblast“) je rozhodující pro emisi např. červená AlGaAs, GaAsP žlutá AlGaInP, GaAsP zelená GaP, AlGaP modrá InGaN UV AlN, AlGaN, AlGaInN „bílá“ fialová nebo UV + luminifor světelná účinnost LED (žárovka ~15 lm/W, zářivka ~100 lm/W) ≥ ~150 lm/W, stále se zlepšuje běžně výkony v jednotkách W životnost desítky let (při malých proudech) Laserová dioda - aktivní oblast mezi zrcadly rezonátoru emise koherentního světla, 1962 (R.N. Hall, GE) schematický řez strukturou světlo kovový kontakt kovový kontakt substrát, n-typ materiál B (velký gap) n-typ, materiál B (velký gap) , např. GaAlAs p-typ, materiál B (velký gap), např. GaAlAs kvantová jáma, materiál W (malý gap), např. GaAs štípané boční plochy jsou rezonátorem „horizontální kavita“ velká rozbíhavost svazku (10-30o), kolimační čočka Laserová struktura s kvantovými tečkami • Aktivní trojitá vrstva v optické kavitě • Integrovaný rezonátor s Braggovskými zrcadly • Extrémně malý prahový proud, veliká účinnost Elektronové stavy v krystalech doping, přesuny elektronů a děr elektrickým polem (GaAs) gap zhruba 1.5 eV vlnová délka 830 nm materiály doby přednitridové přídavek GaAsN a InAsN materiály doby přednitridové citlivost lidského oka (GaN) gap zhruba 3.4 eV vlnová délka 365 nm Hexagonální GaN nitridy (+ZnO) nitridy (+ SiC, ZnO) Shuji Nakamura nar. 1954 Tokushima Univ. 1979-99 Nichia Chemical Ind., Ltd. 1999- UCSB S. Nakamura HONORS & AWARDS 1994, 1996 Nikkei BP Engineering Award 1994, 1997 Best Paper Award of Japanese Applied Physics Society 1995 Sakurai Award 1996 Nishina Memorial Award 1996 IEEE Lasers and Electro-Optics Society Engineering Achievement Award 1996 Society for Information Display (SID) Special Recognition Award 1997 Okochi Memorial Award 1997 Materials Research Society (MRS) Medal Award 1998 Innovation in Real Materials (IRM) Award 1998 C&C Award 1998 IEEE Jack A. Morton Award 1998 British Rank Prize 1999 Julius-Springer Prize for Applied Physics 2000 Takayanagi Award 2000 Carl Zeiss Research Award HONORS & AWARDS (Continued) 2000 Honda Award 2000 Crystal Growth and Crystal Technology Award 2001 Asahi Award 2001 Cree Professor in Solid State Lighting and Display Endowed Chair 2001 OSA Nick Holonyak Award 2001 LEOS Distinguished Lecturer Award 2002 IEEE/LEOS Quantum Electronics Award 2002 Recipient of the Franklin Institute’s 2002 Benjamin Franklin Medal in Engineering 2002 Takeda Award 2002 The Economist Innovation Award 2002 “No Boundaries” 2002 World Technology Award 2003 CompoundSemi Pioneer Award 2003 National Academy of Engineering Member 2003 Blue Spectrum Pioneer Awards 2004 The Society for Information Display Karl Ferdinand Braun Prize 2006 Global Innovation Leader Award, Optical Media Global Industry Awards 2006 Millennium Technology Prize 2007 Santa Barbara Region Chamber of Commerce Innovator of the Year Award 2007 Czochralski Award 2008 Japanese Science of Applied Physics (JSAP) Outstanding Paper Award for the “Demonstration of Nonpolar m-Plane InGaN/GaN Laser Diode” 2008 The Prince of Asturias Award for Technical Scientific Research (The Prince of Asturias Foundation) 2009 Harvey Prize S. Nakamura - 1992→ (WoS 2011: asi 500 prací, 18000 citací) New York Times: Japanese Company to Pay Ex-Employee $8.1 Million for Invention Published: January 12, 2005 TOKYO, Jan. 11 - The inventor of a revolutionary lighting technology has reluctantly agreed to a record settlement from his former employer in a dispute that challenged the idea that the fruits of the labor of Japanese workers belong only to companies. Shuji Nakamura, now a professor at the University of California, Santa Barbara, will receive 840 million yen ($8.1 million) from his former employer, the Nichia Corporation, for inventing blue-light-emitting diodes. Nichia secured lucrative patents for Mr. Nakamura's invention, which allowed the creation of more vibrant video billboards and traffic signal lights and helped lead to the development of blue lasers, which are used in the latest DVD players. His invention was also useful in creating white-light-emitting diodes, which may someday replace incandescent bulbs as a source of indoor lighting. Mr. Nakamura sued his former employer four years ago, seeking a share of the royalties from his invention after the company gave him an award of 20,000 yen, or less than $200, for his work. Komerční úspěch - patentová ochrana Komerční úspěch - patentová ochrana Komerční úspěch - patentová ochrana Komerční úspěch - patentová ochrana Komerční úspěch - patentová ochrana Komerční úspěch - patentová ochrana Komerční úspěch - patentová ochrana Komerční úspěch - patentová ochrana Komerční úspěch - patentová ochrana UV + luminifor → bílé světlo Luminifory („phosphors“) Nichia Luminifory („phosphors“) Nichia CRT Phosphor Blue ZnS:Ag,Al Cathode Ray Tube Green ZnS:Cu,Al Red Y2O2S:Eu Lamp Phosphor Blue (SrCaBaMg)5(PO4)3Cl:Eu Fluorescent Lamp Green LaPO4:Ce,Tb Red Y2O3:Eu White Ca10(PO4)6FCl:Sb,Mn PDP Phosphor Blue BaMgAl10O17:Eu PDPGreen Zn2SiO4:Mn Red (Y,Gd)BO3:Eu Výrobci LED Nichia Cree OSRAM Opto Philips Lumileds Seoul Semiconductor Toyoda Gosei Srovnání účinnosti generace viditelného světla žárovka 5% max. (2% typ.) 15 lm / W (< 35) zářivka 15% čip LED 40% 120 lm / W (< 240) lampa LED 25% žárovka 100 W, 5 Kč/kWh ... spotřebuje 1000 Kč za 2000 h 83 dny nepřetržitě 500 dnů při 4 h/den Spektrální charakteristiky „bílého“ světla : zářivky 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0 1 2 3 2x40W compact 8W "2700 K" Src2_disch ref: 60W P/Pref E (eV) Spektrální charakteristiky „bílého“ světla : LED 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 LED Nokia LED 8W "2700 K" Src2_LED1 ref: 60W P/Pref E (eV) Signál referenčního zdroje, mnohakanálový spektrometr s Si detektorem 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0 2000 4000 6000 Src2_ref60W ref: 60W Avantes 2048 signal(cnts) E (eV) Závěr Nitridové heterostruktury (AlGaIn)N už vstoupily do světlých zítřků (na řadě jsou s dosti velkou pravděpodobností aplikace ve výkonové elektronice)