3.2.1. Светоизлучающие приборы и структуры Светодиоды
Светодиод представляет собой полупроводниковый прибор с одним электронно-дырочным переходом (а также гетеропереходом или переходом металл-полупроводник), в котором оптическое излучение формируется при протекании через переход в прямом направлении электрического тока. Принцип действия светодиода основан на излучательной рекомбинации электронов и дырок при их инжекции через потенциальный барьер p-n-перехода (рис. 3.72). Черными стрелками на рис. 3.72 показана инжекция электронов и дырок, красными стрелками – их рекомбинация. Через Ec и Ev обозначены соответственно дно зоны проводимости и потолок валентной зоны, через Fp и Fn – квазиуровни Ферми. При наличии прямого смещения (U > 0) энергетическое положение квазиуровней Ферми Fp и Fn отличается на величину eU.
Рис. 3.72. Энергетическая диаграмма гомогенного p-n-перехода в полупроводнике
при прямом смещении U
Вероятность излучательной рекомбинации пропорциональна концентрации электронно-дырочных пар, поэтому для повышения эффективности преобразования электрической энергии в световую наряду с повышением концентраций основных носителей заряда в p- и n-областях необходимо уменьшать толщину активной области, в которой идет рекомбинация. В обычных гомогенных p-n-переходах эта толщина не может быть меньше диффузионной длины – среднего расстояния, на которое диффундируют инжектированные через переход носители заряда до их рекомбинации. Ограничить толщину активной области, в которой происходит излучательная рекомбинация электронно-дырочных пар, можно путем создания гетеропереходов с помощью эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев, обладающих различной шириной запрещенной зоны. В качестве примера на рис. 3.73 представлена энергетическая диаграмма гетероструктуры на основе InGaN/AlGaN/GaN. Активной областью является узкозонный полупроводниковый твердый раствор InxGa1-xN, c обеих сторон от него находятся слои широкозонного полупроводника, через которые можно выводить излучение без заметного поглощения.
Рис. 3.73. Энергетическая диаграмма гетероструктуры InGaN/AlGaN/GaN при прямом смещении
На гетерограницах узкозонного и широкозонного слоев образуются потенциальные барьеры для электронов ΔEc и дырок ΔEv. Если приложить к переходу прямое смещение, возникнет инжекция электронов и дырок с обеих сторон в узкозонный слой. Электроны будут стремиться занять положения с наименьшей энергией, спускаясь на дно потенциальной ямы в слое, дырки устремятся вверх – к краю валентной зоны, где минимальна их энергия. Области широкозонных полупроводников обычно сильно легируют примесными атомами, поэтому концентрация основных носителей заряда в них может быть достаточно большой. В этом случае, даже не легируя активную узкозонную область гетероструктуры, можно получать в ней высокую концентрацию электронно-дырочных пар.
Представленная на рис. 3.73 структура имеет одну квантовую яму для электронов и дырок, образованную двумя гетеропереходами (двойная гетероструктура). Наличие тангенциальных механических напряжений, направленных параллельно гетеропереходу и вызванных рассогласованием кристаллических решеток различных полупроводников, вызывает образование поляризационных зарядов в активной области. Возникающее при этом в активном слое внутреннее электрическое поле разделяет электроны и дырки, снижая тем самым вероятность излучательной рекомбинации. Более эффективны в этом плане структуры с несколькими квантовыми ямами, толщина которых составляет сотни и даже десятки атомных слоев. В таком сверхтонком слое сказываются эффекты размерного квантования, проявляющиеся, в частности, в зависимости энергетического спектра электронов и дырок от толщины слоя. Это открывает возможность регулировать цвет излучения, изменяя не химический состав полупроводника, а толщину активной области.