Светодиод и лазер: свет из кристалла

Обратный процесс: электрон падает вниз через запрещённую зону - и рождается фотон. Как работают LED-экраны, оптические кабели и лазерные указки

Светодиод и лазер: свет из кристалла

Обратный процесс: электрон падает вниз через запрещённую зону - и рождается фотон. Как работают LED-экраны, оптические кабели и лазерные указки

Свет, которого не должно быть

В 1907 году британский инженер Генри Джозеф Раунд подключил кристалл карбида кремния к источнику тока - и вдруг увидел слабое жёлтое свечение в месте контакта. Он написал об этом короткую заметку в журнал, отметив, что наблюдает нечто любопытное, - и больше к теме не возвращался. Времени разбираться не было: на дворе стоял 1907 год, квантовой физики ещё не существовало, и объяснить увиденное было просто не из чего.

Раунд не знал, что стал первым человеком, который своими руками превратил электрический ток в свет с помощью полупроводника. Прошло ещё полвека, прежде чем физики поняли, что именно произошло в том контакте. И ещё полвека - прежде чем это явление изменило то, как устроено освещение на всей планете.

Сегодня светодиодные источники света потребляют в 8–10 раз меньше энергии, чем лампы накаливания, при той же яркости. Экран, с которого вы читаете этот текст, почти наверняка состоит из миллионов крохотных светодиодов или управляется ими. А лазерный диод размером с рисовое зёрнышко несёт весь ваш интернет по оптоволоконному кабелю со скоростью, близкой к скорости света.

Всё это - один и тот же принцип: электрон падает через запрещённую зону - и рождается фотон.

Обратный фотоэффект: физика наоборот

Вернёмся к тому, что мы уже знаем. В солнечной батарее фотон поглощается полупроводником: его энергия перебрасывает электрон из валентной зоны в зону проводимости, рождая свободную пару - электрон и дырку. Свет превращается в ток.

Светодиод работает строго в обратную сторону.

К p-n переходу прикладывается прямое напряжение. Электроны из n-области инжектируются в p-область, дырки из p-области - в n-область. Они встречаются в области перехода и рекомбинируют: электрон «падает» из зоны проводимости в валентную зону, занимая пустующее место - дырку. При этом он теряет энергию, равную ширине запрещённой зоны.

Куда уходит эта энергия? Вот здесь и начинается развилка, определяющая судьбу всего устройства.

В некоторых материалах, прежде всего в кремнии и германии, энергия при рекомбинации уходит в тепло: она передаётся кристаллической решётке в виде фононов. Кремниевый диод тёплый, но тёмный. Это непрямозонные полупроводники - из-за особенностей их зонной структуры рекомбинация без излучения значительно вероятнее, чем с излучением.

В прямозонных полупроводниках, арсениде галлия, нитриде галлия, фосфиде индия,  при рекомбинации энергия с высокой вероятностью уходит именно в фотон. Ширина запрещённой зоны определяет энергию фотона - а значит, и длину волны, и цвет излучённого света.

Это и есть светодиод: Light Emitting Diode - диод, испускающий свет.

Цвет как функция от зоны

Связь между шириной запрещённой зоны и цветом света - прямая и однозначная. Чем шире зона - тем больше энергия фотона - тем короче длина волны - тем «синее» свет. Чем уже - тем «краснее».

Вот простая таблица этой зависимости:

Красные и жёлтые светодиоды появились ещё в 1960-х и были нетрудны в производстве. Зелёные - чуть позже. А вот синий долгое время казался недостижимым - и его история стоит отдельного рассказа.

Синий: невозможный цвет

На протяжении тридцати лет - с 1960-х по начало 1990-х - синего светодиода не существовало. Не потому, что физики не понимали принцип. Они понимали прекрасно: нужен полупроводник с запрещённой зоной около 3 эВ, способный давать фотоны с длиной волны 450–470 нм. Лучший кандидат - нитрид галлия (GaN).

Проблема была в технологии. Вырастить высококачественный кристалл GaN без дефектов, легировать его p-типом, обеспечить нормальный p-n переход - всё это не получалось. Большинство исследовательских групп в мире отказались от нитрида галлия и переключились на другие материалы.

В Японии профессор Исаму Акасаки вместе со своим аспирантом Хироси Амано в Нагойском университете продолжал упорно работать с GaN - год за годом решая технологические проблемы выращивания кристаллов. В конце 1980-х им удалось впервые получить легированный p-тип GaN, пригодный для создания перехода.

Но настоящий прорыв совершил другой человек - и в совершенно иных обстоятельствах.

Накамура: один человек против системы

Сюдзи Накамура работал инженером в небольшой японской компании Nichia Chemical Industries - производителе химических реактивов, далёком от передовой науки. У него не было престижного университета за плечами, не было известного научного руководителя, не было большого финансирования.

Он решил заняться нитридом галлия - именно потому, что все остальные от него отказались, и он рассчитывал получить докторскую степень через новые публикации в нетронутой области.

Для синтеза GaN требовался специальный реактор MOCVD (химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений). Купленный реактор не давал нужного качества кристаллов. Накамура разобрал его и построил собственную версию - принципиально другой конструкции.

День за днём он решал одну проблему за другой: чистота кристалла, легирование p-типа, контактные слои. В 1992 году он создал первый прототип синего светодиода - тусклый, но реальный. Зал конференции в Сент-Луисе, где он показал его коллегам, поднялся в аплодисментах.

К 1993 году Nakamura добился яркого, практически применимого синего светодиода. Компания Nichia начала промышленный выпуск.

В 2014 году Акасаки, Амано и Накамура получили Нобелевскую премию по физике «за изобретение эффективных синих светодиодов, которые обеспечили появление ярких и энергосберегающих белых источников света». Нобелевский комитет особо подчеркнул: синий светодиод принёс человечеству не меньше пользы, чем лампочка Эдисона.

Белый свет из синего кристалла

Почему именно синий светодиод так важен? Разве не проще было бы сделать белый напрямую?

Белый свет - это смесь всех цветов спектра. Создать полупроводник, излучающий одновременно красный, зелёный и синий - технологически крайне сложно. Но есть элегантное решение.

Синий светодиод покрывают слоем люминофора - вещества, которое поглощает синий свет и переизлучает его в более широком спектре, включая жёлтый и зелёный диапазоны. Синее и жёлтое, смешиваясь, дают белое.

Именно так устроена подавляющая часть современных «белых» светодиодных ламп: внутри - синий кристалл GaN, снаружи - люминофорное покрытие. Просто, дёшево, эффективно.

Альтернативный путь - RGB-светодиод: три отдельных кристалла (красный, зелёный, синий) в одном корпусе, которые смешивают свет в нужной пропорции. Этот подход используется в профессиональных экранах и динамическом освещении.

LED-экран: миллионы точек, каждая - диод

Посмотрите на экран современного телефона вблизи: вы увидите крошечные цветные точки. Каждая точка - пиксель, состоящий из трёх субпикселей: красного, зелёного, синего. Каждый субпиксель - светодиод.

В зависимости от технологии устроено это по-разному.

LCD + LED подсветка - самая распространённая технология в бюджетных и средних устройствах. Светодиоды здесь не формируют изображение напрямую - они лишь подсвечивают жидкокристаллическую матрицу, которая управляет пропусканием света через цветные фильтры. Светодиоды всегда горят - изображение формируется блокировкой света кристаллами.

OLED (Organic LED) - принципиально иная история. Здесь каждый пиксель - это органическое вещество, которое само излучает свет при прохождении тока. Пиксель тёмный - диод выключен полностью, никакого «засвечивания» нет. Отсюда - абсолютный чёрный цвет, невозможный в LCD. Энергия тратится только на светящиеся пиксели.

MicroLED - следующее поколение: каждый пиксель - настоящий маленький неорганический светодиод, без органических материалов. Яркость, цветопередача и долговечность лучше OLED. Технология появляется в профессиональных дисплеях - пока слишком дорога для массового рынка.

Квантовые точки (QLED) - нанокристаллы полупроводника диаметром в несколько нанометров. Квантово-механический эффект заключения: в столь малом объёме дискретные уровни энергии электрона зависят от размера кристалла. Меняя размер точки на несколько атомов, можно точно настраивать цвет излучения - никаких фильтров, чистый и насыщенный спектр.

От диода к лазеру: порядок против хаоса

Светодиод и лазерный диод - братья-близнецы по происхождению, но принципиально разные по природе излучения.

В светодиоде электроны рекомбинируют хаотически. Каждый испускает фотон самостоятельно, в произвольный момент, в произвольном направлении. Свет выходит во все стороны - некогерентный, как солнечный свет или лампочка.

В лазере всё подчинено принципу вынужденного излучения, открытому Эйнштейном ещё в 1917 году. Если фотон проходит мимо возбуждённого электрона (то есть электрона, готового к рекомбинации), он может «подтолкнуть» его - и тот испустит второй фотон точно такой же энергии, фазы и направления. Два фотона становятся четырьмя, четыре - шестнадцатью. Лавина когерентных фотонов - это и есть лазерный луч.

Но чтобы лавина началась, нужно создать инверсную заселённость: состояние, когда возбуждённых электронов в зоне проводимости больше, чем обычно. Для этого нужен достаточно большой ток через p-n переход.

И нужен резонатор. В полупроводниковом лазерном диоде им служат торцевые грани кристалла, отполированные до зеркального блеска. Фотоны отражаются между ними туда и обратно, многократно проходя сквозь активный слой и вызывая всё новые вынужденные переходы. Часть фотонов выходит наружу через полупрозрачный торец - это и есть лазерный луч.

Лазерный диод: там, где нельзя без когерентности

Зачем нужна когерентность? Почему не обойтись обычным светодиодом?

Потому что когерентный свет - это другое существо. Он не расходится. Он может быть сфокусирован в точку диаметром в долю микрометра. Его можно модулировать с частотой в десятки гигагерц. Он несёт информацию.

Оптоволоконная связь - главное применение лазерных диодов сегодня. Весь интернет - от видеозвонков до банковских транзакций - несётся по стеклянным нитям оптоволокна в виде импульсов лазерного света. Лазерный диод мигает миллиарды раз в секунду, кодируя поток данных. Один волоконно-оптический кабель диаметром в несколько сантиметров несёт больше информации, чем тысяча медных телефонных кабелей вместе взятых.

Для оптоволоконной связи важны два «окна прозрачности» стекла - длины волн 1310 нм и 1550 нм, где потери в волокне минимальны. Под эти длины волн созданы специальные лазерные диоды на основе соединений индий-галлий-арсенид-фосфор (InGaAsP) - с запрещённой зоной, точно настроенной на нужный диапазон.

Оптические диски - CD, DVD, Blu-ray - считываются лазерными диодами. Красный лазер (780 нм) читал компакт-диски. Более короткая волна синего лазера (405 нм) на Blu-ray позволила записать данные плотнее в десятки раз - просто потому, что пятно фокусировки пропорционально длине волны. Чем «синее» лазер.тем меньше точка - тем больше информации на диске.

Лазерная указка, которой лектор водит по слайдам, - это тоже лазерный диод. Зелёные указки (532 нм) технически сложнее красных: зелёный лазерный диод редок, поэтому внутри указки прячется инфракрасный диод (808 нм), нелинейный кристалл, удваивающий частоту, и ещё один кристалл для фильтрации - целый оптический прибор в кармане.

Гетероструктуры: как удержать свет и электроны вместе

Современный лазерный диод устроен значительно хитрее, чем простой p-n переход. Ключевое изобретение — гетероструктура, предложенная независимо советским физиком Жоресом Алфёровым и американцем Гербертом Кремером в 1963–1970 годах. За это открытие в 2000 году они получили Нобелевскую премию по физике.

Идея проста по формулировке и сложна в реализации: если окружить тонкий активный слой с меньшей запрещённой зоной слоями с большей зоной, то электроны и дырки окажутся заперты в узкой области - как рыба в аквариуме. Они не смогут «расплыться» по всему кристаллу и будут рекомбинировать именно там, где нужно - в активном слое.

Одновременно разность показателей преломления сл максимальная. Порог лазерной генерации падает на несколько порядков.

Именно гетероструктуры сделали лазерные диоды практически применимыми - достаточно маленькими, достаточно эффективными и достаточно дешёвыми, чтобы оказаться в каждом DVD-плеере и каждом оптоволоконном узле.

Квантовые ямы: ещё глубже в кристалл

Если слой активного вещества в гетероструктуре сделать достаточно тонким, порядка нескольких нанометров, вступают в силу квантовые эффекты. Электрон оказывается в квантовой яме: его движение ограничено настолько, что энергетические уровни перестают быть непрерывными и снова становятся дискретными, как в одиночном атоме.

Это меняет всё. Плотность состояний становится другой. Порог генерации ещё ниже. Эффективность выше. Ширина спектра излучения уже, лазер стал монохроматичнее.

Именно на квантовых ямах работают все современные лазерные диоды для оптоволоконной связи и большинство высококачественных светодиодов. Квантовая механика - не абстрактная теория в учебнике. Она живёт в каждом кабеле интернета.

Послесловие: один принцип - тысяча применений

Электрон падает с верхнего уровня на нижний - и рождается фотон. Казалось бы, проще не бывает. Но именно из этого простейшего акта выросла целая вселенная технологий.

Освещение, потребляющее в десять раз меньше энергии, чем лампочка накаливания. Экраны толщиной в несколько миллиметров с миллионами независимо управляемых источников света. Лазерные лучи, несущие всю информацию человеческой цивилизации по стеклянным нитям. Лазерная хирургия, резка металлов, голография, считывание штрих-кодов.

Всё это - одна физика, открытая Раундом в 1907 году, объяснённая квантовой механикой в 1930-х и освоенная промышленностью в 1960–90-х.

Когда вы смотрите на экран - вы смотрите на миллиарды падающих электронов. Каждый падает - и рождает квант света. Каждый квант летит вам в глаза. И вы видите.

Андрей Повный