Пятнадцать лет назад вышла первая статья проф. Кидо в журнале Science, а также о проф. Кидо - в Wall Street Journal, - посвященная созданию первого белого светодиода. Но то, что казалось раньше вовсе невозможным,сразу привлекло внимание инвесторов, которые тут же потребовали улучшения показателей: с имевшихся <1 lm/W и продолжительностью службы менее суток до не менее 15 lm/W и 3000 часов. Но и эти требования были лишь промежуточными: чтобы выйти на рынок, требовались эффективность 100 lm/W, время жизни 30000 часов и светимость 5000 cd/m
2. 15 лет прошло прежде, чем было создано такое устройство - постепенно, но уверенно.
Вот основные 4 проблемы, которые пришлось решать ученым:
• Как добиться белого света?
• Как снизить необходимое напряжение?
• Как улучшить квантовую эффективность?
• Как увеличить время службы?
И ответы на эти четыре "Как?" дал проф. Кидо.
• Как добиться белого света?
Для начала нужно было получить чистый белый цвет. Для этого нужно либо соединить 3 базовых цвета (треугольник на Рис. 3), либо 2 комплементарных (отрезок). И первый вариант, предложенный учеными, представлен на Рис. 4. Подбор материалов обусловлен не только цветом люминесценции, но и соотношением энергетических уровней, чтобы добиться более эффективной инжекции носителей заряда в слой. Спектр предложенного устройства показан на Рис. 6. Но если использовать большие концентрации люминофоров, произойдет передача энергии с синего через зеленый на красный, и в итоге синего свечения практически не будет! Поэтому важной задачей является подбор концентраций люминофоров, что в итоге приводит к спектру, уже неплохо похожему на солнечный (рис. 8).
Еще один прием, позволяющий устройству начать работать, - введение блокирующих дырки слоев. Поскольку подвижность дырок обычно очень велика, они успевают пролететь сквозь эмиссионный слой к катоду без рекомбинации, а введение такого слоя задерживает дырки и приводит к неизбежности их рекомбинации в эмиссионном слое (Рис. 9).
• Как снизить необходимое напряжение?
Пороговое напряжение - это то, при котором электроны и дырки уже могут попасть в эмиссионный слой. Поэтому первым требованием является поиск металлов с низкой работой выхода электрона, список которых приведен на Рис. 11. Однако ученые не просто перебирали возможные металлы, а предлагали разные способы их нанесения - не просто отдельным слоем, но и, например, допируя металлом слой органики (Рис. 12). Для чего это нужно? Дело в том, что электрон не может просто "перепрыгнуть" с металла на органический слой. При этом происходит химическая реакция с образованием катиона металла и радикал-аниона. Это приводит к тому, что слой органики, допированной металлом, все равно образуется, но его толщина и морфология непредсказуема! Именно для этого ученые предложили контролируемо создавать такой слой, в котором можно было бы менять и толщину, и концентрацию металла. Пример такого катода приведен на Рис. 15, а на Рис. 16 показано, как заметно это снижает напряжение работы устройства. Другие варианты допированных катодов показаны на Рис. 17. Точно также можно поступить и с анодом (Рис. 18), и если совместить оба приема, напряжение работы можно понизить очень заметно (Рис. 19)!
• Как улучшить квантовую эффективность?
Для этого проф. Кидо сразу выбрал фосфоры, для которых предел квантовой эффективности составляет 100%. Алгоритм выбора таких материалов уже подробно излагался в одной из предыдущих статей в НМ, поэтому здесь мы укажем только, на какой структуре становился сам проф. Кидо, и какова была эффективность ее работы (Рис. 20, 21).
• Как увеличить время службы?
Краеугольным камнем в создании осветителя на основе ОСИД стала продолжительность его службы - никто не купит лампочку, которую придется заменять каждую неделю! Для решения этой проблемы нужно понять основной механизм гибели устройства, и он заключается в аккумулировании заряда на любой границе между слоями в структуре ОСИД. Следовательно, такого аккумулирования нужно не допустить, а именно, сгладить эти границы.
От послойной структуры можно перейти к смеси компонентов, либо к ступенчатой системе, когда концентрация одного компонента относительно другого постепенно возрастает от 0% до 100%. Несмотря на то, что второй вариант интуитивно кажется более перспективным, время службы в первом случае оказывается заметно выше. Причина в том, что в случае ступенчатого перехода заряд может собираться на каждой из ступеней, а значит, для того, чтобы добиться наилучшего результата, нужно сделать такое изменение концентрации плавным.
Понимание этого привело к созданию напылительных установок, позволяющих создавать такие плавные переходы, и, в свою очередь, к заметному возрастанию времени жизни (Рис. 24).
Вот так постепенно был пройден путь, позволивший получить коммерческие белые светодиоды.
А вам слабо?
