1. Історичні відомості

Уперше явище випромінювальної рекомбінації в 1921 р. спосте­рігав О. В, Лосев у зразках карбіду кремнію (SiC). Перші промис­лові світловипромінювальні діоди (світлодіоди, СВД) на основі структур GaAs були створені Піком Холоньяком (США). Червоні й жовто-зелені СВД з GaAs, створені на початку 60-х pp. XX ст., ма­ли параметри: зовнішній квантовий вихід — 0,1 %, довжина хви­лі — 500—600 нм, світлова віддача 1...2 Лм/Вт.

Використання гетероструктур (Ж. Алфьоров, 60-ті pp. XX ст.) дозволило значно збільшити квантовий вихід (до 15 % для чер­воної частини спектра, до ЗО % для 14, матеріал GaAlAs). Інші ге- тероструктури на основі InGaP (Hewlett Packard) випромінюють червоно-жовтогаряче, жовте й жовто-зелене світло (світлова від­дача до ЗО Лм/Вт і зовнішній квантовий вихід до 55 %).

Черговий крок у розробці напівпровідникових світлодіодів було зроблено у 1990 p., коли японський вчений Накамура з компанії Nichia Chemical за допомогою гетероструктури на основі нітриду індію-галію (InGaN) отримав ефективний випромінювач у діапа­зоні 470 нм. До цього часу синій діапазон був практично неос- воєний, а без синього кольору неможливо виготовити повноцінний напівпровідниковий екран. Використання сполуки InGaN дало можливість не тільки замкнути ланцюг «червоний — зелений — синій» напівпровідникових пікселів кольорового дисплея, але й суттєво розширити коло використання напівпровідникових ви­промінювачів .

2. Принцип дії

Світлодіоди являють собою джерела світла, фізичною основою роботи яких є інжекційна електролюмінесценція, найбільш ефек­тивна в напівпровідниках класу A^IIIB^V. За структурою енергетич­них зон бувають напівпровідники із прямими й непрямими пере­ходами.

За умови прямого переходу (рис. 1.4, а) обмін носіїв між основ­ним мінімумом зони провідності й валентною зоною йде без зміни імпульсу (К_с = K_v = 0) і тому характеризується високою ймовір­ністю. Отже, випромінювальна рекомбінація вільних дірок і елек­тронів протікає інтенсивно.

Другий варіант має незначну ймовірність переходу зона — зона (рис. 1.4, б), тому що для цього потрібна зміна імпульсу. Однак

1. б)

Рис. 1.4. Прямі (а) і непрямі (б) дозволені и-переходи в напівпровідникових структурах

випромінювальна рекомбінація може відбуватися ефективно через домішкові центри у два етапи: спочатку локалізація носія одного знака на відносно тривалий час на домішковому центрі й потім його рекомбінація з вільними носіями іншого знака. Такими цент­рами у фосфіді галію, наприклад, виступають комплекси донор — акцептор (Zn-O) або нейтральні ізоелектронні пастки (атом N за­мість Р у ґратці GаР).

Таким чином, довжина хвилі випромінювання визначається із співвідношення

звідки

де — ширина забороненої зони, — відстань від домішкового центра до краю найближчої енергетичної зони. Тому для генерації видимого світла (λ < 0,72 мкм:) потрібні напівпровідники з > 1,7 еВ.

Разом з випромінювальною рекомбінацією мають місце й без- випромінювальні механізми: рекомбінація на дефектах структури й нєконтрольованих домішках, ударна Оже-рекомбінація й ін. У цих випадках енергія рекомбінації вільного носія вивільнюється у кілька етапів, і фотони, які можливо з’являються при цьому, мають значно меншу енергію, тож належать до довгохвильового діапазону.

Зі збільшенням температури на 1 К випромінювальна потуж­ність світлодіоду зменшується приблизно на 1 %. Це пов’язано зі зростанням теплових коливань кристалічної ґратки, що підвищує ймовірність зіткнення носія з вузлом ґратки та виділенням енергії на безвипромінювальні переходи.

Зі збільшенням температури спостерігається також зменшення ширини забороненої зони й, як наслідок, збільшення довжини хвилі випромінювання. Для прямозонних структур воно становить 0,2 нм/К.

Рекомбінаційний струм через діод містить як випромінювальну і_рλ , так і безвипромінювальну і_r складові:

i_p = i_pλ + i_r ,

де відношення i_pλ / і_r зростає зі збільшенням щільності струму че­рез р-п-перехід.

Внутрішня квантова ефективність η_int характеризує якість випромінювальної структури та являє собою відношення числа по­роджених на базі фотонів до числа інжектованих у неї носіїв.

Зовнішня квантова ефективність — це відношення числа фо­тонів, що випускаються діодом, до повної кількості носіїв заряду, що протікають через нього.

Наприклад, для р-n-структури з інжекцією з р-області повна кількість накопичуваних в ній інжекційних електронів становить

(1.11)

де J_n — електронна складова струму через р-n-перех.ід; — ефек­тивний час життя носіїв у базі; е — заряд електрона.

(1.12)

Де , — величини, зворотні часу життя випромінювальної (r_{вип р} = 1/τ_випр) і безвипромінювальної (r_пад, = 1/τ_пoг) рекомбінацій.

Швидкість генерації фотонів у базовій області:

(1.13)

Враховуючи наведене, одержуємо:

(1.14)

що виконується при τ_випр > τ_пог.

Зовнішню квантову ефективність можна порахувати з викори­станням співвідношення:

(1.15)

де γ = 1 - — коефіцієнт інжекції p-n-переходу; і — провідність відповідно діркової та електронної областей; К_опт — коефіцієнт, що характеризує втрати випромінювання при його ви­веденні з діода.

Щоб зменшити поглинання у випромінювальній p-області, ви­ведення світла здійснюють через « область. Величина τ_випр зростає пропорційно концентрації основних носіїв у базовій області (N_a), однак при цьому падає коефіцієнт інжекції у. Оптимальним для GaAs є значення N_a близько до 10¹⁷... 10¹⁸см^-3.