Modrá záře nad GaN

Je to proto, že svítící diody svou účinností, malými rozměry a možností ovládat vlastnosti vystupujícího světelného záření často předčí klasické světelné zdroje. Nejrozšířenější světelné zdroje – žárovky (tepelné zářiče) – dosahují účinnosti přeměny elektrické energie na světelnou pouze kolem 20 lm/W a zářivky (fluorescenční lampy) mají sice několikrát vyšší účinnost (80 lm/W), ale vyžadují složitý napájecí zdroj. Oproti tomu dnešní svítící diody dosahují téměř účinnosti zářivek, při velmi jednoduchém napájení, dlouhé životnosti a nízké ceně. Proto se nyní objevují již nejen jako indikátory na ovládacích panelech přístrojů, ale i jako dopravní signalizace: na semaforech (klasické lampy se musí filtrovat barevným sklem, tím se snižuje účinnost, a mají krátkou životnost) nebo jako koncová světla jízdních kol i automobilů. A nyní, když už se několik let vyrábějí účinné modré diody, mohou se konstruovat velkoplošné plnobarevné displeje s vysokým jasem kombinací diod tří základních barev – modré, zelené a červené (aditivní skládání barev) – viz obr. na str. 302. Oproti masivním elektronovým dělům s fluorescenčním terčem–stínítkem (televizní obrazovky) a „bledým“ displejům z kapalných krystalů mají zřejmé výhody.

Polovodičové lasery pak ve srovnání s ostatními typy laserů mají zdaleka nejvyšší účinnost, nejjednodušší napájení a mohou být velmi malé. Jsou tedy ideálním zdrojem koherentního záření pro různé miniaturní měřicí přístroje, pro záznam a čtení dat (kompaktní disky), pro přenos informací v optických vláknech, pro tisk atd. Dnes jsou dostupné zatím pouze infračervené a červené polovodičové lasery, založené na složitých strukturách z polovodičů skupiny III-V (GaAs, AlAs, GaP, AlP, InP). Zkracování vlnových délek směrem do zelené, modré a ultafialové spektrální oblasti rozšíří použitelnost těchto zdrojů např. o podmořské komunikace (ideální je vlnová délka 505 nm – zelená), či fluorescenční monitorování nečistot, ale především umožní zvýšit hustotu záznamu informace na optických discích a rozlišení laserových tiskáren. Obojí totiž závisí na tom, na jak malou plošku dokážeme záření zaostřit, a to je dáno vlnovou délkou. Zkrácení vlnové délky na polovinu zvýší plošnou hustotu čtyřikrát – což už stojí elektronickým firmám za velké investice.

První svítící diody uvedla na trh firma General Electric r. 1962. Byly založeny na polovodičové „slitině“ GaAsP, svítily slabě červeně a setkáváme se s nimi dodnes. V 70. letech se podařilo zvýšit účinnost svítících diod a jejich barevnou paletu o žlutou a zelenou přidáním příměsi dusíku do GaAsP a GaP. Osmdesátá léta znamenala nástup heterostruktur – miniaturních struktur, v nichž jsou pokládány vedle sebe různé polovodiče. Nové technologické postupy nanášení vrstev a jemného leptání umožnily omezit typické rozměry struktur do nanometrové oblasti. Zde už se stávají vlastnosti polovodiče závislé nejen na jejich chemickém složení a krystalické struktuře, ale také na vnějších rozměrech, a lze tak, do jisté míry, cíleně měnit jejich elektronické a optické vlastnosti. Chytře navržené heterostruktury se staly základem pro výrobu výkonných infračervených a červených polovodičových laserů. Ani „kvantové inženýrství“ ovšem nedokázalo posunout vyzařování arzenidů a fosfidů galia, hliníku nebo india až do modré oblasti, je to principiálně nemožné.

Modré diody z karbidu křemíku se posléze objevily, svým výkonem však neuspokojovaly, a tak se výzkum vrhl na potenciálně ideální polovodiče skupiny II-VI, především ZnSe. Přes velké úsilí problémy s přípravou a stabilitou II-VI modrých diod a laserů přetrvávaly. A tu se ze zadních řad vynořil GaN – nitrid galia.

Nitrid galia nebyl neznámý. Jeho krystalická struktura byla popsána r. 1937 a během jediného roku 1971 byla z GaN vyrobena jednoduchá modrá svítící dioda, získány vrstvy GaN epitaxií z organokovových sloučenin (tak, jak se připravují i dnes) a demonstrována stimulovaná emise GaN v ultrafialové oblasti! Připravit dostatečně kvalitní GaN bez mnoha strukturních poruch se však zdálo nemožné a GaN zmizel z výzkumu jako neperspektivní materiál. Jen I. Akasaki se spolupracovníky z Nagoyské univerzity zarputile vytrval a za dvě desítky let zdolal technologické potíže. (Nelze než obdivovat tu vytrvalost a, ovšem, i umění získávat finanční zdroje pro tak dlouhý a „beznadějný“ výzkum). Svou prací umožnil S. Nakamurovi z Nichia Chemicals oslnit svět zářivě jasnou modrou diodou (1993) a později polovodičovým laserem (1995) z heterostruktur InGaN/AlGaN.

Největším překvapením bylo, že účinnost vyzařování z GaN součástek a jejich životnost není, na rozdíl od jiných materiálů, negativně ovlivněna přetrvávající vysokou koncentrací poruch krystalické struktury (10 miliard dislokací – zlomů na cm³ – milionkrát více než v jiných diodách). Naznačuje to, že mechanizmus činnosti je jiný, než je obvyklé. Jaký? To se ještě přesně neví. Možná právě velká hustota poruch pomáhá vysoké účinnosti zářivé rekombinace tím, že umožňuje lokálně relaxovat napětí vznikající v tenkých epitaxních vrstvách.

Zatím poslední velký úspěch S. Nakamury byl laser vyzařující spojitě modré záření o výkonu 1,5 mW po dobu 35 hodin. Zbývá zvýšit životnost laserové diody snížením prahového proudu a tím i ničivého zahřívání součástky, a rozšířit barevnou paletu nových svítících diod a laserů.