Внутренний квантовый выход ηген

Р екомбинация носителей может сопровождаться рождением фотона (излучательная рекомбинация), но может происходить без появления фотонов (безызлучательная рекомбинация).

Возникновение и поглощение фотонов при изменении энергетического состояния электронов возможно лишь при соблюдении законов сохранения энергии и импульса. В простейшем случае, когда электрон не подвержен какому-либо силовому воздействию (свободный электрон), его энергия равна кинетической E_e = m_ev_e²/2, при этом импульс p_e = mv_e.

Связь между энергией и импульсом соответствует параболической зависимости

E_e = p_e²/2v_e

Изменение энергии свободного электрона при изменении скорости v_e сопровождается изменением импульса на величину:

p_e = 2E_e/ v_e.

Нетрудно заметить, что такое соотношение между импульсом и энергией намного больше соотношения между импульсом и энергией фотона p_e = hν/c,

поскольку c >> v_e/2.

Поведение электрона меняется, когда он оказывается под воздействием электрического поля кристаллической решетки полупроводникового материала. В этом случае для описания энергии и импульса электрона вводится понятие эффективной массы m^*_e = ђ²/(d²E/dk²), где k = (2π/λ)n₀ – волновой вектор, определяемый структурой кристалла, n₀ – единичный вектор.

Для электронов в зоне проводимости при малых значениях скорости m^*_e ≈ m_e >0 и соответствует параболической зависимости энергии от импульса, как для свободного электрона.

Для электронов в валентной зоне m^*_e < 0, поэтому связь между энергией и импульсом воспроизводится "перевернутой" параболой. В результате формируются условия прямозонных переходов, когда импульс электронов при переходе из зоны проводимости в валентную зону почти не меняется (рис. 5.5, а) в отличие от непрямозонных, когда импульс при переходе существенно изменяется (рис. 5.5, б).

Вероятность оптически разрешенных переходов в прямозонных структурах гораздо выше, чем в непрямозонных. Оптические переходы в непрямозонных структурах возможны лишь при участии дополнительных частиц, способных принять на себя лишний импульс энергии. Реализовать генерацию в непрямозонных кристаллах возможно лишь в случае наличия в кристаллах примеси с малыми размерами Δx, когда в соответствии с соотношением неопределенности Гейзенберга неопределенность величины импульса может составлять Δp = ђ /Δx, вследствие чего условия межзонного перехода становятся аналогичными условиям в прямозонной структуре (рис.5.6, а). В качестве такой примеси могут выступать атомы азота.

Кроме того, так же, как и в случае инжекционного КПД, использование гетероструктур, квантовых ям, увеличенных размеров активной области и широких контактов – факторов, ограничивающих переход неосновных носителей в барьерные слои, положительным образом сказывается и на величине внутреннего квантового выхода. Эти меры препятствуют безызлучательным переходам и условиям появления оптических переходов за пределами активного слоя с отличными от основного спектра характеристиками.

Существует несколько физических механизмов безызлучательной рекомбинации. Причиной ее часто является наличие в кристаллической решетке различных дефектов – атомов примесей, собственных дефектов, дислокаций и их скоплений (кластеров). В сложных полупроводниках собственными дефектами могут быть междоузлия и вакансии. По структуре энергетических уровней такие дефекты сильно отличаются от замещаемых атомов полупроводника.

Энергетические уровни в запрещенной зоне являются эффективными центрами безызлучательной рекомбинации, особенно если располагаются в середине запрещенной зоны (ловушки). Такие уровни часто называют центрами тушения люминесценции. Переходы на некоторые из этих уровней, в свою очередь, тоже могут быть излучательными, но спектр излучения сильно расширен и не соответствует рабочему диапазону активной области.

Возможен также механизм безызлучательной рекомбинации в виде ударной Оже-рекомбинации. Оже-рекомбинация протекает с участием, по крайней мере, трех частиц, когда выделившаяся энергия рассеивается на возбуждение либо свободного электрона в зоне проводимости, либо дырки в валентной зоне (рис.5.6).

Таким образом, важнейшими средствами, обеспечивающими высокую степень излучательной рекомбинации, являются: исключительная чистота используемых материалов и высокое качество техпроцесса формирования полупроводниковой структуры светодиода.

Особое место занимает безызлучаткльная рекомбинация в поверхностных слоях. Здесь неизбежно нарушение однородности кристаллической структуры и наличие примесных атомов. При разработке светодиодов важно обеспечить достаточно большое расстояние от активной области до мест электрических контактов и общей границы кристалла. Размеры, по крайней мере, одного из электрических контактов не должны быть большими. Обычно это контакт, располагаемый в той стороне кристалла, где происходит выход излучения в открытое пространство.