Лабораторная работа 1

ИССЛЕДОВАНИЕ МОЩНОСТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧАЮЩЕГО ДИОДА

1.1. Цель работы

Изучение энергетических параметров излучающих диодов в видимой области спектра.

1.2.Теоретическое введение

1.2.1.Энергетические параметры излучающих диодов

Полупроводниковые излучающие диоды – оптоэлектронные приборы, в которых электрическая энергия преобразуется в оптическую. В основе этого преобразования лежит явление электролюминесценции (ЭЛ), т. е. возникновение неравновесных носителей тока, инжектированных через p – n-переход, за счет излучательной рекомбинации.

Для оценки эффективности преобразования энергии в излучающем диоде используется несколько параметров. Прежде всего к ним относится внешний квантовый выход излучения ηЭЛ:

где γ – коэффициент инжекции; ηвнутр – внутренний квантовый выход излучения;

ηопт – коэффициент вывода излучения из кристалла наружу. Значения γ и ηвнутр определяются параметрами излучающих

структур, условиями изготовления p – n-перехода, зависят от плотности тока и тепловых режимов работы диода.

Однако внешний квантовый выход излучения не полностью характеризует эффективность преобразования энергии в диоде. В том случае, когда энергия квантов излучения меньше ширины запрещенной зоны, т. е. hν < Еg (например, при примесной излучательной рекомбинации), полная энергия излучения даже при квантовом

5

выходе (ηЭЛ = 1) может быть меньше энергии возбуждения. Кроме того, часть энергии рассеивается в виде тепла на сопротивлении омических контактов и толщине излучающего диода.

В связи с этим, другим важным параметром люминесцентного диода является коэффициент полезного действия (КПД) ηp, характеризующий отношение полной мощности излучения Pизл к затраченной электрической мощности Р:

Для большинства диодов энергия hνмакс ≈ e Uпр и значения ηЭЛ и ηP близки. В случае, когда прямое напряжение превышает энергию излучаемых квантов, для оценки эффективности излучающего диода более правильно использовать КПД (ηP) вместо внешнего квантового выхода (ηЭЛ).

1.2.2. Технология изготовления светоизлучающих диодов (СИД)

Для получения качественных СИД, излучающих в видимой области спектра, особенно важно соблюдение технологии получения исходных полупроводниковых материалов. К наиболее используе-

мым материалам относятся прямозонные твердые растворы соедине-

ний AIIIBV: GaAs1–xPx, AlxGa1–xAs, (AlxGa1–x)1–yInyP и Inx(Ga1–yAly)N.

6

На основе твердых растворов GaAs0,6P0.,4 n-типа, выращенных на подложках GaAs n+-типа, изготавливают СИД, излучающие в красной области спектра (λмакс ≈ 655 нм) с диффузионным p – n- переходом. Как правило, квантовый выход излучения СИД достаточно мал (0,1...0,2 %) из-за поглощения света в подложке GaAs, имеющего более узкую ширину запрещенной зоны, чем излучающая область GaAs0,6P0,4 p-типа. Вместе с тем, этот материал находит широкое применение, благодаря сравнительно низкой стоимости исходных эпитаксиальных структур, выращенных газофазным хлоридогидридным методом.

Существенное увеличение квантового выхода излучения было достигнуто в СИД, полученных на основе гетероструктур системы

AlxGa1–xAs, излучающих в красной области спектра (λмакс ≈ 660 нм). Гетероструктуры с активным излучающим слоем Al0,35Ga0,65As

p-типа и широкозонными эмиттерами Al0,50Ga0,50As n- и p-типа выращиваются методом жидкофазной эпитаксии на подложках GaAs.

При изготовлении СИД этого типа подложка или сохраняется (при этом квантовый выход составляет 0,5...1 %), или удаляется (квантовый выход увеличивается до 2...4 %).

Перспективным материалом для СИД, излучающих в широкой

области спектра от красного до желто-зеленого (λмакс ≈ 660...565 нм) являются гетероструктуры системы (AlxGa1–x)1–yInyP, выращенные ме-

тодом газофазной эпитаксии металлоорганических соединений на подложку GaAs. Изменяя соотношения элементов третьей группы (изменяя x и y) можно управлять цветом свечения. Квантовый выход у СИД, излучающих в красно-оранжевой и желтой области спектра может достигать 10 % (у СИД с удаленной GaAs подложкой).

Исключительно перспективным материалом для СИД, излучающих в красной (λмакс ≈ 520 нм) и синей области спектра

(λмакс ≈ 460 нм), являются гетероструктуры системы Inx(Ga1–yAly)N, выращенные на подложках сапфира методом газофазной эпитаксии

из металлоорганических соединений In, Ga, Al и аммиака. Цвет свечения таких СИД определяется содержанием индия в активном слое InxGa1–xN (при х = 0,40 – зеленый, при х = 0,2 – синий). Квантовый выход данных СИД составляет от 4 до 7 %.

Для промышленного изготовления дешевых СИД, излучающих в оранжевой, желтой и зеленой области спектра используются непрямозонные газофазные структуры системы GaAs1–xPx и жидкофазные структуры системы Ga1–xPx, легированные изоэлектронной примесью азота, увеличивающий вероятность излучательной реком-

7