3. Використання гетероструктур

Перспективними для світлодіодів є гетероструктури (рис. 1.5), що виникають при контакті двох напівпровідників з різною шири­ною забороненої зони.

Особливості гетероструктур призводять до відмінного від зви­чайних р-n-переходів протікання току через контакт.

Потоки дірок і електронів за прямого зміщення на переході (рис. 1.5) зустрічають різні величини потенційного бар’єра. Таким чином, тільки один вид носіїв відповідає за інжекцію із широкозонного емітера до вузькозонної бази. Концентрація інжектоваиих до бази носіїв може на кілька порядків перевищувати рівноважне значення в емітерній області.

Крім вищезгаданого, потрібно брати до уваги відмінність оптич­них властивостей емітера й бази. Причиною є те, що розмір заборо­неної зони різний, тож границя поглинання теж відрізняється, та­кож показник заломлення має залежність від розміру забороненої зони. Врешті-решт широкозонний емітер слабко поглинає довго­хвильове випромінювання, яке генерується вузькозонною базою, і світлова хвиля концентрується в оптично більш щільній області.

Рис. 1.5. Енергетичні діаграми гетероструктур за умови, що термодинамічна робота виходу першого шару менша, ніж другого

(Ф­₁ < Ф₂)

Наведені переваги дали можливість створити високоефективні швидкодіючі випромінювачі на основі гетероструктур. На цей час переважна більшість світлодіодів, що виготовляються у світі, має у основі гетероструктуру чи систему квантових ям.

Втім, реалізація гетероструктур потребує, щоб постійні крис­талічних ґраток напівпровідників, які контактують, були прак­тично однаковими (розходження не більш ніж на 0,5...1 %). Іде­альною є пара GaAs — AlAs (Аа -0,1 %). У разі використання інших потрійних сполук звужують діапазони можливих розход­жень між W_g1 і W_g2 . Значно більше можливостей дає використання чотирикомпонентних твердих розчинів сполук А^III В^V , що за­безпечують одержання матеріалів при практично повному збігу параметрів ґраток підкладки й епітаксіального шару.

Основними матеріалами для напівпровідникових випроміню­вачів є сполуки A^III B^V, A^IIB^VI, A^IVB^IV, а також тверді розчини

на їхній основі. В останні роки починається використання органіч­них напівпровідників, матеріалів зниженої розмірності (квантові ями, нитки, крапки), структур на їхній основі (надґратки). Нові види матеріалів мають більш високу ефективність, меншу вар­тість, підвищені споживчі якості.

Як джерела «кольорового» світла, світлодіоди давно обігнали лампи розжарювання зі світлофільтрами. Так, світлова відда­ча лампи накалювання з червоним світлофільтром становить З лм/Вт, у той час як червоні світлодіоди сьогодні дають 30 лм/Вт і більше. Наприклад, новітні прилади Ьихеоп виробництва амери­канської компанії Ьитіїейз забезпечують 50 лм/Вт для червоної й навіть 65 лм/Вт для оранжево-червоної частини спектра. Втім, і це не рекорд — для жовто-жовтогарячих світлодіодів планка 100 лм/Вт вже досягнута.

У синьо-зеленій області спектра вдалося досягти зовнішнього квантового виходу до 20 % і впритул наблизитися за ефективністю до люмінесцентних ламп (світлова віддача — 70...90 лм/Вт).

Винахід синіх світлодіодів замкнув «RGВ-коло»: тепер стало можливим одержання будь-якого кольору, у тому числі будь-якого відтінку білого кольору простим змішанням кольорів. При цьому можуть бути використані як окремі світлодіоди різних кольорів, так і трьохкристальні світлодіоди, що поєднують кристали черво­ного, синього й зеленого світіння в одному корпусі.

Основою поширеного СВД білого кольору світіння є структура InGaN, випромінювальна на довяаіні хвилі 470 нм (синій колір), і нанесений на неї люмінофор, що випромінює в широкому діа­пазоні видимого спектра з максимумом у жовтій частині спектра. Людське око комбінацію такого роду сприймає як білий колір. Такі світлодіоди набагато дешевше трьохкристальних, мають гар­ну кольоропередачу, а по світловій віддачі (до ЗО лм/Вт) вони вже обігнали лампи розжарювання.

Ще один метод одержання білого світла — збудження тришаро­вого люмінофора світлодіодом ультрафіолетового спектра за ана­логією з кінескопом кольорового телевізора (УФ-світлодіоди в цьо­му випадку «заміняють» електронну гармату кінескопа).

Для керування яскравістю світлодіодів (і кольором, у випадку змітання кольорів) використовується широтно-імпульсна моду­ляція (ІПІМ) — метод, поширений у сучасній електроніці. Це до­зволяє створювати індикатори з можливістю плавної зміни яск­равості і кольору.

Дня виготовлення GaAs і Ga світлодіодів успішно застосову­ється епітаксія з газової фази (ГФЕ). Більше універсальною, хоча й більше складною є рідиннофазна епітаксія (РФЕ), що дозволяє формувати структури дуже багатьох сполук типу А^IIВ^V. Форму­вання наноструктур (надґраток, квантових ям) вимагає застосу­вання більше точних методів, таких як молекулярно-променева епітаксія, пошарове хімічне складання.