6.3. Люминесценция полупроводников

Люминесценцией называется процесс испускания нетеплового электромагнитного излучения полупроводниками, находящимися в возбужденном состоянии. Особенностью люминесценции является то, что акты поглощения и излучения света разделены определенным промежутком времени. Это может приводить к продолжительному существованию свечения после прекращения возбуждения.

Вещества, способные люминесцировать, называются люминофорами. Среди них наиболее многочисленную группу образуют полупроводники с достаточно широкой запрещенной зоной, обычно соcтавляющей 1,6...2 эВ. К люминофорам относятся такие полупроводниковые соединения, как ZnS, Al₂O₃,Y₃Al₅O₁₂, GaAs, GaP, InP.

В зависимости от вида возбуждения люминофора различают три основных вида люминесценции:

фотолюминесценция (возбуждение светом);

катодолюминесценция (возбуждение электронным лучом);

электролюминесценция (свечение под действием электрического поля).

Фотолюминесценция. В полупроводниках наблюдаются три разновидности фотолюминесценции: мономолекулярная, метастабильная и рекомбинационная.

Мономолекулярная люминесценциянаблюдается в случае, когда поглощение и излучение света происходит внутри примесного центра, которым является ион-активатор, введенный в кристаллическую решетку. Указанный вид люминесценции характерен для полупроводников с широкой запрещенной зоной, таких как ZnS(Mn) и некоторых других (в скобках указан ион-активатор).

Особенности мономолекулярного свечения связаны с характером взаимодействия активирующего примесного центра с полем окружающей кристаллической решетки. При взаимодействии примесного центра с ближайшим окружением его потенциальная энергия складывается из кулоновского притяжения, обменного взаимодействия и ван-дер-ваальсовского притяжения. В связи с этим ион-активатор в кристаллической решетке характеризуется непрерывным спектром энергетических уровней как для основного W_oтак и для возбужденногоW_всостояний, зависящим от степени перекрытия электронных орбиталей, определяемой расстояниемrмежду источниками взаимодействия (рис. 6.13).

Важной особенностью мономолекулярной люминесценции является то, что возбуждение люминофора не сопровождается ионизацией центра свечения, поскольку основному и возбужденному состояниям активного иона соответствуют локальные уровни, лежащие внутри запрещенной зоны. При этом энергия излученного квантаh_изл ниже энергии поглощенного кванта светаh_погли максимум спектра излучения всегда смещен по отношению к максимуму спектра поглощения люминофора в сторону более длинных волн, как это показано на рис. 6.13. Длительность мономолекулярной люминесценции определяется временем жизни электрона в возбужденном состоянии примесного центра, составляющим величину порядка 10^-8…10^-7 с.

Метастабильная люминесценцияотличается от мономолекулярной тем, что процесс люминесценции происходит в результате дополнительной активации возбужденного примесного центра за счет внешних факторов. При этом излучение запаздывает относительно возбуждения на время, равное длительности пребывания электрона на метастабильном уровне примеси. Метастабильное возбуждение непостоянно и зависит от температуры.

Рекомбинационная фотолюминесценциявозникает в результате непосредственной рекомбинации электрона с дыркой или рекомбинации через локальный центр. Механизмы рекомбинации свободных носителей заряда в полупроводниках рассматривались нами ранее в п. 2.4.

Катодолюминесценция. Этот вид люминесценции наблюдается при возбуждении люминофора пучком электронов. Свечение люминофоров при бомбардировке их потоком электронов используется в знаковых индикаторах. Катодолюминесценция широко используется в лампах дневного света. В этом случае невидимое глазом ультрафиолетовое излучение электрического разряда в парах ртути преобразуется в видимый свет. Спектральный состав света можно изменять подбором люминофора, покрывающего внутренние стенки лампы.

Электролюминесценция. Свечение полупроводников под действием внешнего электрического поля называютэлектролюминесценцией. Различают два вида электролюминесценции.

Инжекционная электролюминесценциянаблюдается при включенииp-nперехода в прямом направлении. В результате инжекции неосновных носителей заряда в областиp-nперехода возникает процесс излучательной рекомбинации. Этот вид электролюминесценции используется в светодиодах и полупроводниковых лазерах. В качестве материалов используются, как правило, соединения A³B⁵, A⁴B⁴, такие, как GaAs, GaP, InP, SiC и их твердые растворы, в которых могут наблюдаться прямые переходы носителей заряда.

На рис. 6.14 представлен вариант конструкции светоизлучающего диода (СИД). Медный держатель 1 обеспечивает эффективный теплоотвод от полупроводникового кристалла2, содержащего излучающий светp-nпереход. Диаметр полимерной линзы3, предназначенной для увеличения внешнего квантового выхода светового излучения, составляет около 5 мм. Светодиод обеспечивает нормальную работу при прямом смещении наp-n переходе полупроводникового кристалла до 3...4 В и потребляет ток около 10 мА.

Предпробойная электролюминесценциявозникает в сильных электрических полях, достигающих (2...3)10⁵ В/м. Под действием электрического поля развиваются процессы ударной ионизации, приводящие к увеличению в люминофоре концентрации неравновесных носителей заряда с последующей их излучательной рекомбинацией. Предпробойная электролюминесценция наблюдается в порошкообразных люминофорах типа ZnS, помещенных в переменное или постоянное электрическое поле.

На основе эффекта предпробойной электролюминесценции разработаны электролюминесцентные индикаторы. Конструкция индикатора изображена на рис. 6.15 и представляет пленку2полупроводника-электролюминофора толщиной около 0,1 мм, нанесенную на металлический электрод1.

На поверхность полупроводника нанесен второй электрод 3в виде пленки из прозрачного проводящего материала. Сверху индикатор закрыт защитным стеклом4. Индикатор начинает светиться при приложении питающего напряженияU=26...30 В с частотойf=400...600 Гц.