4. Побудова світлодіодів

Світловипромінювальні структури досить різноманітні (рис, 1.6).

Дифузійні GaAs(Zn) та епітаксіальні р-n-структури (рис. 1.6, а) є найпростішими. Перші застосовуються лише з метою підвищен­ня швидкодії.

В епитаксіальних структурах утворюється широка область сильно компенсованого напівпровідника, що генерує більш довго­хвильові фотони, ніж дифузійна структура. Це зменшує оптичні втрати при виведенні випромінювання.

Двошарова гетероструктура (рис. 1.6, б) має всі переваги гетеро- переходов, а в тришаровій (рис. 1.6, в) — за рахунок зменшення ефектів саіиопоглинання й розтікання носіїв з активної області вдається досягти теоретичної межі за квантовою ефективністю ( η_int = 1) . У структурі на рис. 1.6, г при газофазному вирощуванні потрійної сполуки GaAs_1-xP_x . потрібного складу (X ~ 0,4) ство­рюється порівняно товстий перехідний шар, у якому параметр х поступово змінюється від 0 до 0,4. Цим знижується щільність дислокації й інших недоскоиалостей, обумовлених розходженням у постійних ґратки GaAsP та GaAs-підкладки. Фотони, які генеру­ються, можуть випромінюватися у всіх напрямках. Якщо під­кладка епітаксійної структури непрозора (наприклад GaAs), світловий потік створюється випромінюванням нагору в межах критичного кута відповідно до закону Снелля.

Прозорі підкладки на основі GaP забезпечують більшу ефек­тивність світлового випромінювання. Зазвичай непрямозонні при­лади виготовляються на GaP-, а прямозонні — на GaAs-підкладках. Найкраща якість досягається при створенні р-п-переходу GaAsP за допомогою дифузії цинку.

Структура світлодіоду з квантовими ямами (рис. 1.6, д) являє собою досить складний «пиріг». На сапфіровій підкладці після бу­ферного шару AIN нанесено товстий (4 мкм) шар ­n-GaN:Si. Далі йде активний нелегований шар квантових ям In_xGa_1-xN, розділених бар’єрами GaN (товщина 3 ... 5 нм).

Рис. 1.6. Світловипромінювальні структури:

W_g — ширина забороненої зони, Z — поперечна координата

Широкозонний шар р-Аl₀Gа_0,9М:Мg (товщина 100 нм) є дже­релом дірок, а верхній шар p-GаN:Мg (0,5 мкм) призначений для нанесення електричного контакту. Довжина хвилі випромінюван­ня цієї структури залежить від складу (значення х) активного шару та його товщини.

Розрізняють такі конструкції світлодіодів (рис. 1.7): а — пло­ский /ьгс-перехід; б — мезаструктура; в — планарний р-п-перехід; г — структура з локальною епітаксією; д — напівсферичний кри­стал з мезаструктурою; е, ж — конструкції у вигляді усіченого ко­нуса; з — структура із пластмасовою лінзою.

Рис. 1.7. Конструкції світлодіодів

Плоска конструкція найбільш проста і дозволяє створювати діо­ди з великою робочою поверхнею в кілька квадратних міліметрів.

Кращі сучасні світлодіоди плоскої конструкції забезпечують зовнішню ефективність до 20 %, у середньому по різних мате­ріалах і типах до 15 %. їхнім недоліком е низький ККД. Це пояс­нюється тим, що в плоскій конструкції кут виходу випромі­нювання Θ_В = 20 обмежується повним внутрішнім відбиттям від границі розділу напівпровідник — середовище, Його значення за­лежить від коефіцієнтів переломлення напівпровідника й середо­вища. Критичний кут, при якому наступає повне внутрішнє від­биття,

де п₁, п₂, — коефіцієнт заломлення відповідно середовища й напів­провідника.

Оскільки напівпровідник оптично значно більше щільний, ніж повітря (наприклад, n_GaAs = 3,3), більша частина світлових про­менів не виходить назовні, а відбивається від поверхні усередину кристала й далі поглинається. Так, для поверхні розділу арсенід галію — повітря лише промені, що відхиляються від нормалі менш ніж на 17°, виходять назовні.

Найефективнішою є напівсферична конструкція діода, що ро­бить її кращою для оптоелектроніки, хоча технологічно вона складніша за плоску.

Напівсферична конструкція дозволяє збільшити параметр К_опт в 15—25 разів, а введення пластмасової лінзи — в 4—6 разів.

Конусна конструкція (рис. 1.7, е, ж) поліпшує діаграму спря­мованості торцьового випромінювання структур із широкою ак­тивною областю (наприклад, GаАs(Sі)), однак є досить складною і дорогою й має порівняно більші габаритні розміри.

Пластмасова лінза в парі з плоскою конструкцією (рис. 1.7, з) забезпечує досить високий К_опт, та низьку ціну і тому є найпоши­ренішою конструкцією. З метою концентрації потоку світла ниж­ній контактний електрод виготовляють у вигляді ввігнутої напів- сфери, в яку впаюють плоский випромінювальний кристал.