MAVİ LED'LER

Çeviren : Sevgi ENSEN

* Elektor, March 1982.

Büyük hava aralıklı yarı iletkenler ışık saçan diodlarm üretimi için son derece yararlı maddelerdir. Bugün artık bunların tayfsal sınırları mavi ve mor ötesi bölgeleri kapsamaktadır. Üstelik bunların bazıları yüksek-güç mikrodalga araçlarının ve yüksek ısıda çalışma için duyargaçların üretilmesinde kullanılabilir. Son üç yıl SiC'in (Silikon Karbid'in) fiziksel özellikleri aydınlatıcı çalışmaların konusu olmuştur. Bu makale yarı iletken maddeleri anlatmakta ve varolan GaAs (Galyum Arsenid) veya GaP (Galyum Fosfat) araçları-

nın üretilmelerine benzer şekilde mavi-saçan SiC (Silikon Karbid) diodlarm üretim metodlarının nasıl olduğunu göstermektedir.

Son zamanlarda yaygınlaşmasına karşın silikon karbid 'yeni' bir madde değildir. Gerçekte en eski maddelerden biridir ve daha 1907 yıllarında elektro-ışıma (electroluminescence) özellikleri Round tarafından ortaya konmuştur. (Bu sıralarda Round SiC kristalleri üzerinde çalışmaktaydı) Yarı ilitkenlik özellikleri gözönünde bulundurulduğunda SiC, silikona benzemektedir, ancak aralarında bazı ayırıcı farklılıklar bulunmaktadır. SiC'in non-axial bir kristal bir kristal yapısı, geniş band aralıkları ve büyük bir hücre birimi vardır, ve bütün bunlar gözlenen olayın yorumlanmasının son derece karmaşık olduğunu göstermektedir.

Diğer büyük hava aralıklı yarı-iletkenlerin tersine SiC, yoğun işlemler ve teknikler gerektirir ama kolaylıkla P ve n tipte katkılanabilir. Bu zorluklar nedeniyle bugüne kadarki araştırmalar sınırlı kalmıştır. Üstelik, bilim adamları tek hücreli kristal halinde silikon karbidin işlenmesi için pratik bir yönteme henüz ulaşmamışlardır ve eğer elektronik alanında bu yarı iletken kullanılacaksa bu bir zorunluluktur. İşte bunun içindir ki, artan bir teknolojik ilerlemeyle yarı iletkenler önce germanyumdan sonra silikondan yapılmışlardır. Fakat bugün silikon uygulamalarının bazı sınırlamaları gözönüne alındığında, geçmişte kullanımı az olan galyum, arsenik ve silikon karbid gibi yarı iletken maddeler yeniden keşfedilmektedir. Çünkü bunlar elektronikte birkaç alana özellikle uymaktadırlar. Örneğin galyum LED'lerde ve RF yarıiletkenlerinde idealdir. Silikon karbidin mavi ışık saçtığı ise şimdilerde gündeme gelmekte ve 1907'ye ait dosyalar yeniden açılmaktadır.

SiC'in özelliklerine ayrıntılı olarak girmeden önce genel olarak yarı iletkenlerin nasıl ışık saçtığını ortaya koymaya çalışalım.

YARI İLETKEN IŞIĞI

Her yarı iletken belirli bir ısı derecesinde bir ışık saçacaktır. 700-900°C sınırları arasında madde koyu kırmızı hal alacak, daha yüksek ısılarda ise akkor haline gelecektir. Bundan sonra yarı iletken bir ampul, bir alev ya da bir meşale gibi davranmaya başlayacaktır. Ancak bunların ışıma özelliğine bağlı olarak yarı iletkenler çok daha düşük ısı derecelerinde de ışık saçarlar. 'Işıma' (luminescence) terimi ilk kez 1889 yılında ışık saçan maddenin, sıcaklığın neden olmadığı ışık saçmasını anlatmak için ortaya konmuştur. Bu tür ışıma çok karşılaşılan bir durumdur ve floresan TV ekranlarında vb. görülebilir.

Işık saç ılımı aşağıdaki esaslara dayanır:

Bir atoma enerji verildiğinde atom uyarılır ve enerjiyi emer. Bir atom yalnızca kararlı denge durumuna dönmeden önce enerjilenebilir. Bu d rumda alınan enerji elektromanyetik yayıhm (radiation) olarak geri verilir ve bu yayılım ancak belirli bir dalga boyu ile çakışırsa gözle görülebilir ışık şeklinde olacaktır.

-100

ıc*-|-ıo3 A.C. gerilim

ıo3-

Uzun dalga (radyo) Orta dalga Kısa dalga

780 nm

çok kısa fm dalga

koyu kırmızı

ıo°-

-ıo12

ıö3H

Kızıl ötesi -Görülebilir

san sokrıız/fıyl esil -« Mor poyretşaikl al

-67O0 O0 nnmm

ötesi

-İD* X-ısınları Gama ısınları Kostnlk ısınları

mavi/yeşil sodğeunkizmmaavivisi mor

-

500 nm 400nm 380 nm

Sekil l

Görülebilir Işık Elektromanyetik Spektrumun Bir Parçasıdır ve 380 nm. (mor) ile 780 nm. (Unyu kırmızı) Sınırları Arasındadır.

Şekil 2

elektromanyetik dalga

Bohr'un Atom Modeli ile Gösterilen Işık Saçılım ilkeleri. Uyarılan (enerjilenen) Elektronlar Daha Yüksek (çekirdekten daha uzağa). Daha Enerjik Bir Banda Sıçrarlar. Işık Saçılımı Sırasında Elektronlar Dış Banttan içeri Dönerler, iki Bant Arasındaki Enerji Farkı Işık Olarak Yayılır.

Şekil 2. de gösterildiği gibi Bohr'un atom modeli bu süreci gözümüzde canlandırmak için kullanılabilir. Atomlar, Güneş'in çevresindeki sabit gezegenler gibi

çekirdeğin çevresinde sabit bir yörüngede hareket ederler. Yüksek hızlı elektron biçimindeki enerji dışarıdan içeri sürülür ve bir atomun elektronu ile çarpışır. Bu elektron içeri giren enerjiyi alır ve daha yüksek enerjili bir yörüngeye atlar Bütün bu işlemler çok ki sa bir süre içerisinde olur ve sonra elektron artık (fazla) enerjisini dışarı vererek önceki durumuna döner. Yayılan ışımanın (emitted radiation) dalga boyu, enerjilenmiş ve enerjilenmemiş durumlar arasındaki farka bağlıdır. 380-750 nm. sınırları arasında (Bakınız Şekil 1.) yaydım gözle görülebilir ışık şeklinde olacaktır. Atomlar, örneğin X-ışmı, ışık, parça yayılımı veya ısı gibi başka yollarla da uyarriabilir.

Aynı esaslar yarı iletken maddelerin ışıması içinde uygulanabilir. Yine elektronlar yüksek enerji seviyelerinden düşük enerji seviyelerine geçerler ve artı enerjilerini atarlarken ışık elde edilir. Bu genellikle ısı (phonon vibration) biçiminde, bazan da kırmızı-altı ve gözle görülebilir ışık sınırları arasında yayılır.

Eğer yarı iletken madde safsa bu yasak bölgede elektron bulunamaz. Farklı maddeler (impurities) katılarak bu bölgede elektronik seviyelerin bulunması sağlanır. Saçılan fotonlarm en yüksek enerji seviyesi, pn-ekleminin oluştuğu maddenin band aralığı enerjisi ile belirlenir. LED araçları için buna uygun maddeler GaAs, GaP ve SiC gibi sıralanabilir. Bu durumda saçılım spektrumunun kısa dalga aralığında 380-440 nm. dalga boyu olan mavi ışık, yalnızca, buna karşılık gelen bant aralığı olan yarı iletken maddeden elde edilebilir. Bunun içindir ki, örneğin galyum eklemlerinde (junctions) mavi ışık saçılımı olamaz.

Tablo 1. çeşitli yarı iletken maddeleri incelemekte ve bu maddelerin bant aralıklarına, dalga boylarına ve yayılım sınırlarına göre bir listesini vermektedir.

Yukarıda anlatılan yüksek enerji harcanması işlemi

diodun kutuplaşmış ileri geçiren pn-ekleminde olur

Tablq 1: Çeşitli yarı-iletken maddelerin yayılım dalgaboyları ve band enerji aralıkları.

(polarized forvvard biased junction).

Madde

Band aralığı

Saçılım

Saçılım Yeniden birleşim

Bu süreci anlamak için yarı iletken teknolojisine kısaca bir göz atalım:

Yarı iletken maddelerde elektronların belirli enerji seviyelerinde bulunduğu varsayılır. Elektronlar için değerlik bandı en yüksek enerji seviyesine sahiptir. Değerlik bandının üstü ile iletim bandının en alt kısmı arasındaki fark enerji boşluğu olarak bilinir. (Bakınız

Germanyum Silikon Galyum Arsenid Galyum Galyum

eV

0,6 6 1,09 1,43

1,91

dalga boyu aralığı nm

910 650

biçimi v

a

y

Şekil 3.)

Arsenid

Phosphide

2,24

Silikon

Karbid

2,5

Galyum

ı

®

©

Nitrat

a ylı

kızılötesi

kırmızı doğrudan

c - İletim , v- Değerlik bandı E- Enerj boşluğu

yeşil dolaylı dolaylı mavi dolaylı

Şekil 3

Katılarda Band Yapısı: 3a) i letim Bandı, Enerji Aralığı Yok. 3b) Değerlik Bandı, Geniş Enerji Aralığı 3c) Y ar ı-iletken. Dar Enerji Aralığı. Bu, Elektronla rın (değerlik elektronları) Enerjilenmesini ve Değerlik Bandından iletim Bandına Atlanmasını Mümkün Kılar.

YARI İLETKEN FOTO DİODLAR

Şekil 4. yarı iletken bir foto diodun yapısını göster

mektedir, n-tipte ve p-tipte katkılanmış yarı iletken

maddelerin p ve n bölgesi arasındaki ısıtıcı yeniden

birleşmelerin (recombination) oluştuğu alana sınır ka

tı ya da eklem denir, p bölgesinde katkı maddesinin

bütün atomlarının yarı iletken maddeden bir eksik de

ğerlik atomu vardır.

j

ELEKTRİK MüHI-:\'nlSLlĞl 305

o boşluk • elektron

0 alıcı iyon ©verici iyon

®©l_©t±) ©*£)©. ©0" ©© ©® boşluk yükü "ölgesi (sınır

Kotod

dolaylı

Sekil 4 pn- Eklem Şeması (yarı-iletken diod). p- iletken Madde 'Boşlukları' İçerir, (elektronlar bulunmazken), n- Madde ise Çok Sayıda Elektron Bulundu rur. Sınır Bölgesindeki Değimde. Birleşmeden Dolayı Yük Taşıyıcılarından Arınmış Bölge Oluşur. Boşluklar Elektronları Yutar, Böylece Hem Elekt ronlar Hem de Boşluklar iletim Bandından Kaybolur. Threshold Değerini Aşan Bir ileri Geçiren Ge rilim Uygulanmadıkça YUk Taşıyıcıları Bu Engeli Aşamazlar.

Şekil 5 Elektronların ve Boşlukların Yeniden Birleşmesi, Geçiren Bir Gerilim Uygulandıktan Sonra Elektronlar ve Boşluklar Engel Bölgesine Sürülür ve öbür Tarafa Ulaşırlar. Elektronlar ve Boşluklar Yeniden Birleşirler, Yani, Elektronlar iletim Bandını Terkeder ve Değerlik Bandındaki Boş4ukları Doldururlar. Enerjideki Fark. LED'İ Isıtan Elektromanyetik Dalga Biçiminde Yayılır. (Değerlik Bandı: Valance Bandı / Conduction bandti letim Bandı)

Sonuç olarak, 'alıcı' (acceptor) iyonlar yarı iletkenin değerlik atomlarını alırlar ve yerlerinde bir dizi boş luklar (holes) oluşur. Elektronlar hareketli artı yük taşıyıcılarını temsil ederler ve bunlara p-yarı iletkenleri denir, n-yarı iletkenlerinde durum tam tersidir. Bunlarda katkı maddesinin yarı iletkeninkinden bir fazla değerlik elektronu vardır. Elektron fazlalığı olduğundan katkı maddesi ya da 'verici' (donor) iyonlar ile bunlar serbest elektronlar haline gelir. Ekleme gerilim uygulanmadıkça bu bölgede boşluklar ve elektronlar yük alışverişi yaparlar. Sonuç olarak sınır tabakasının her iki yanında da dar bir şerit hareketli yük taşıyıcılarından tamamen arındırılmıştır. Aynı zamanda nbölgesindeki artı yüklü verici iyonlar ve p-bölgesindeki eksi yüklü alıcı iyonlar bölgenin içinde kalırlar ve bir boşluk yükü (space charge) oluştururlar.

Geçirme yönünde bir gerilim uygulayarak (pilin artı kutbunu p kenarına eksi kutbunu n kenarına) elektronlar ve boşluklar sınır tabakasının içine sürülür (injected). Böylece p-bölgesi ne ait boşluklar n-bölgesine ulaşır ve serbest elektronlarla birleşir, benzer şekilde, elektronlarda n- bölgesinden p- bölgesine geçer ve bunlarda yeniden birleşirler.

Doğrudan birleşmeyle (bir elektronun,doğrudan,değerlik bantındaki bir boşluğa gitmesi), dolaylı birleşme (yeniden birleşim doğrudan bantlar arasında değil, ama, bunlarla bant arasındaki geçiş seviyelerinde oluşur) arasında bir ayrım yapılmıştır. Bu durum Şe kil 5. te gösterilmiştir.

En uygun oranlar 'doğrudan* yarı iletkenlerin kullanılmasıyla elde edilmiştir (doğrudan yeniden birleşe bilirler). Bilindiği gibi bunlara yeterli bant aralık genişliği sağlandığında ışık saçarlar. 'Dolaylı'iletkenler de belirli bant aralık genişliklerinde ışık saçabilirler Bu ışık saçılımı yabancı atomların injeksiyonu ile kontrol edilebilir (iso-elektronic centres). Örneğin GaP LED'ler yeşil ışık saçması için nitrojen ile katkılanırlar. Öte yandan çinko oksit sürülmesi (injection) ise kırmızı ışık vermesine neden olur.

MAVİ LED'LER İÇİN SİLİKON KARBİD

Tablo 1.den görülebileceği gibi silikon karbid geniş bant aralığı olan dolaylı bir yarı iletken tipidir-Onun bu özelliği geniş bir renk aralığında gözle görülebilir yayılımı mümkün kılar. Böylece mavi ışık bile elde edilebilir. Değişik geçiş seviyelerinde çeşitli renkler elde edilir. Galyum nitrat (GaNi) ve çinko (Zn (S,Se)) eklemlerinin tersine SiC kolaylıkla p ve n tipinde katkılanabilir. Sorun şudur ki, SiC eklemlerinin düşük bir ışıma performansı vardır. Bir kez uygun bir iso-elektronik yeniden birleşim merkezi bulundu mu ışıma da geliştirilebilecektir.

Epitaxial ve gazla aşındırma süreçlerinin yüksek ısı gerektirmelerinden dolayı, SiC'in teknik açıdan da sorunları vardır. Bir kez bu sorunlar çözülürse tek kristal halindeki SiC yufkalarının (single crystal SiC wafers) büyük ölçekte üretimi mümkün olacaktır. Günümüzde

ELEKTRiK Mi'-IH-:.\'DlSLlĞİ 305

göreceli olarak daha küçük, 15 mm. çapında yufkalar üretilmektedir. Amerika Birleşik Devletleri, Japonya, Batı Almanya ve Sovyet Sosyalist Cumhuriyetler Birliği'nde bu alandaki çalışmalar sürmektedir.

pn- eklemleri genellikle epitaxial yöntemiyle yapılmaktadır ve Japonya'da Metsunami, Batı Almanya'da da Von Münch ile Kurzinger tarafından ilginç sonuçlar elde edilmiştir.

MAVİ LED'LERİN ÜRETİMİ

SiC kristal yongaları (chips) hammaddeyi oluşturur. SiC yongalarının üretimi için yalnızca iki yöntem vardır. (Acheson ve Lely). Kristallerin yalnızca zımparalanması ve parlatılması değil, ama her birinin çok dikkatli bir biçimde uygun olup olmadığı denetlenmelidir. Kristaller kumdan yapılmış olduğuna ve içinde alüminyum bulunduğuna göre yufka (wafer) maddesi doğal olarak p- iletkendir. Kristaldeki yabancı yapılar yonga yüzeyinin bir oksit tabakası ile kaplanması ve sonra yüzeyin x-ışınları ile ışınlanmasıyla ortaya çıkarılır.

Herşeyden önce, bir pn eklemi (diod) oluşturulabilmesi için bir n- iletken katman gereklidir. Şekil 6.da gösterildiği gibi epitaxial süreç sırasında alttasın (substrate) en üstünde p- iletken bir SiC katmanı oluşur.

t (dok)

Şekil 6 Epitaxial süreçte Silikon Karbid Yufkası üzerinde önce p- Katkılanmış Sonra n- Katkılanmış Tabaka Oluştururken. Sıcaklık Eğrisi.

SiC katmanlarının tortulanması ısı değişimi altında silikonkarbon eriyiği ile doldurulmuş grafit bir potada olur. Alttaş üzerinde oluşan epitaxial tabakanın ptipte katkılanması için alüminyum ile silikon eriyiği enjekte edilir. 1600-1700°C sınırları içinde kabaca 35 dakika kadar sonra 35 p.m civarında bir epitaxial tabaka elde edilir. Daha sonra da n- katkılanmış bir katman sağlanması için nitrojen injekte edilir. Sonuç pnekleminin elde edilmesidir. Bu süreç Şekil 7. deki grafik ile gösterilmiştir.

epitoxiol tabaka v.

SIÇ alttası

—l

Şekil 7 Bir SİC LED Yongasının Kesiti.

Başlangıçta üretim verimi % 30 dur, ama bu yeni bir sıcaklık/zaman deviri ve eriyik potasını geliştirmeyle % 70'in üzerine çıkarılabilir. Kalan oran esas olarak alttasın eksikliklerinden kaynaklanır.

P katmanındaki alüminyum konsantrasyonu arttırılarak, SiC yongalarının performansı kayda değer ölçüde arttırılabilir. Diğer yandan n- katmanındaki nitrojeni değiştirme girişimlerinin ise herhangi bir etkisi olmamaktadır. Sonuçta elde edilen ürün yüzey alanı 0,6x0,6 mm2 olacak şekilde parça yongalar halinde testerelenmektedir. Şu da belirtilmelidir ki, bu tip yongalar çok çabuk yaşlanırlar. Bir de bu maddeyi testerelemek yongaların kenarlarını bozmakta ve rengin yeşilimsi olmasına yol açmaktadır. Bu sonuçtan madde testerelenerek yongalara ayrılmadan önce mesa ( Q) aşındırması yapılarak kaçmılabilir. öncelikle foto-aydınlatma ile bir oksitleme yapılıp sonra da, bir oksit tabakası ile korunmamış olan yonga yüzeyi, bir klor, oksijen ve gaz karışımı kullanılarak 1000°C derecede aşındırılır. Sonuç yonganın ortasında yuvarlak, 0,4 mm. çapında bir tepeciktir. Bu dış ölçümleri etkilemez.

Yongalar bir kez aşındırılıp, ayırtldıktan sonra değinimleri (contacts) sağlanmalıdır. Üst yüzey önce nikel, sonra altın, p tarafı ise ilk önce alüminyum sonra titan bağlanır ve p- değimi bir taşıyıcıya yapıştırılır.

SONUÇLAR VE BELİRTİMLER

Şekil 8. çeşitli LED tiplerinin spektra saçılımmı göstermektedir. Burada SiCln oldukça geniş bir saçılım

spektrumuna sahip olduğu görülür, çünkü, ençok 475 nm. seviyesi olan bir dolaylı birleşme yayılımı vardır ve bu da kabaca ark maviye karşılık gelir, LED1 lerin geçirme gerilimi 2,5 V civarındadır ve bunu Şekil 9. daki grafikte görebiliriz.

Yaşlanma süreci Şekil 10. da gösterilmiştir. İlk otuz dakika sırasında yongalar bir ısınma süresi geçirirler. Verimleri başlangıç değerinden, % 70'e düşer ve bun dan sonra aşağı yukarı sabit kalır.

JÇ

JL

"«c

1o

Dalga boyu

X {nm)

G« As kızılatMİ —\

Şekil 8 a) Mavi Silikon Karbid LEO'ln Saçılım Spektrumu. b) Diğer Çeşitli LED Tiplerinin Saçılım Spektrum-ları. insan Gözünün Duyarlığı Kesikli Eğri ile Göste rllmiştlr.

Zaman (dak)

Şekil

10 Mavi LED'lerde Yaşlanma Süreci. 30 Dakika Kadar Sonra Performans Sabit Bir Seviyede Kalır. Bu Bas langıç Değerinin % 70'idir.

Bütün bunlardan anlaşılacağı gibi SiC üretim yöntemleri oldukça karmaşıktır ve yakın gelecekte yongaların üretiminin büyük ölçekte olacağı beklenmemeli dir. Ancak yine de bir avuntu, bir umut vardır.... Yonga endüstrisi RF güç yarı iletkenleri için esas olarak silikon karbid kullanılması üzerinde durmaktadır. Bu konuda bir kez anlamlı ilerlemeler yapıldığında ve böylece büyük silikon karbid kristalleri için uygun bir gelişme süreci sağlandığında mavi LED'lerde kullanılabilecektir ve bunlar, FET güç teknolojisinin yan ürünleri olarak üretileceklerdir.

Böylece elektronik coşkusuyla dolu olanlar geleceğe devrelerinde MAVİ LED'ler kullanarak bakabileceklerdir.

E<

-51

<- 5

Gerilim • U (V)

Sekil 9 Mavi LEDln Gerilim Eğrisi.

KAYNAKLAR

Günther Ziegler, Siemens AĞ, Research Laboratories, Erlangen and Munich, VV.Germany: 'Blue Light-emitting diodes using silicon carbide', BMFT research bulletin T81 -010.

E, Pettenpaul, W. von Münch and G. Ziegler: 'Silicon Canside devices', Institute of Physics, Conf. Ser. No: 53

Alan Chappel, Volmar Hartel: "Opto-electronics: Theory and practice',Texas instruments Ltd.,Manton Lane, Bedford.

Stan Gage, Dave Evans, Mark Hodopp and I lan s Sorenson: 'Optoelektronics Applications Manual1, Mc Gravv-Hill Book Company.