Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

люминесценции могут усложняться из-за эффектов кулоновского взаимодействия электронов и дырок (экситонных эффектов).

Расчеты спектров люминесценции могут быть проведены и для излучательных переходов по каналу зона-акцептор (донорзона). Соответствующие формулы можно найти в (261]. Однако говоря о люминесценции с участием примесей, следует отметить, что из-за захвата неравновесных носителей на примесные уровни концентрация этих носителей на уровнях всегда больше, чем в разрешенных зонах. Поэтому излучательная рекомбинация с участием примесных уровней часто оказывается более интенсивной, чем краевая люминесценция.

Обычно излучательная рекомбинация является не единственным механизмом рекомбинации в полупроводнике и часть электронно-дырочных пар рекомбинирует безызлучательно. Если в полном темпе рекомбинации выделить темп излучательной и безызлучательной рекомбинации и с помощью уравнений ти з л =

= An/R„ад и Тбезызд = Ап/Лбезызд определить излучательное и безызлучательное время жизни, то можно ввести понятие кван- тового выхода люминесценции, который равен доли излучательных переходов в полном темпе рекомбинации:

7.2.2. Светодиоды. Светодиодами называют р-п-перехо- ды, которые при пропускании через них электрического тока испускают электромагнитное излучение в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра [304]. Это излучение возникает в результате излучательной рекомбинации инжектированных носителей; механизмы такой рекомбинации были рассмотрены нами в п. 7.2.1.

Среди светодиодов особое значение имеют светодиоды, которые излучают в видимой области спектра (Я = 0,39-0,77 мкм) — области чувствительности человеческого глаза. Эти светодиоды широко применяются для создания небольших информационных табло, в качестве сигнальных огней в автомобилях и светофорах, индикаторов в электронной аппаратуре. Их можно использовать в качестве источников света в оптронах (см. подстрочное замечание на с. 410) и оптотиристорах (см. с. 235). Они широко применяются для создания локальной подсветки (мобильные телефоны, велосипеды), а в последние годы начаты

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры 435

ловушка N. Азот в GaP замещает атомы фосфора в узлах решетки и является изоэлектронной примесью. Азот и фосфор имеют одинаковую внешнюю электронную структуру (оба относятся к V группе элементов периодической системы), однако их атомные радиусы и электроотрицательности сильно различаются, и поэтому на месте примеси в кристалле формируется короткодействующий потенциал, способный связывать электроны. В исходном состоянии изоэлектронная ловушка нейтральна. В р- области диода инжектированный электрон сначала захватывается на центр. Отрицательно заряженный центр затем захватывает дырку из валентной зоны, формируя связанный экситон, Последующая аннигиляция этой связанной электронно-дырочной пары приводит к рождению фотона с энергией ~2,24 эВ, примерно равной разности между шириной запрещенной зоны и энергией связи экситона. Так как захваченный электрон сильно локализован на центре, то фурье-составляющая его волновой функции с волновым вектором, отвечающим волновому вектору дырки, достаточно велика и вероятность излучательной рекомбинации без участия третьей частицы оказывается достаточно большой. Внутренний квантовый выход люминесценции в случае GaP(N) при этом может достигать нескольких процентов. Те же явления наблюдаются и в твердом растворе GaAsi - jPi(N) . Из GaP(N)

иGaAsi-ajP^N) были изготовлены первые светодиоды с зеленым

ижелто-зеленым свечением (Лт а х » 565 и 589 нм), внешний квантовый выход которых достигал ~0,7% [304].

Другим примером эффективных центров излучательной рекомбинации в непрямозонных полупроводниках может служить примесный комплекс Zn - О в GaP. Первоначально считалось, что эффективная рекомбинация в р-области светодиодов из GaP(Zn,0) связана с рекомбинацией электронов, захваченных на глубокие донорные уровни кислорода, с дырками на акцепторных уровнях цинка (рекомбинация на донорно-акцепторных парах). Последующие исследования однако показали, что на самом деле основными каналами рекомбинации при 300 К являются рекомбинация связанных экситонов, локализованных на ближайших парах Zn-O, и рекомбинация связанных на комплексе Z n - 0 электронов со свободными дырками. Измерения сечения захвата электрона на комплекс Zn - О позволили оценить максимальный внутренний квантовый выход люминесценции в GaP(Zn,0), который составил ~35% . Светодиоды из GaP(Zn,0) были первыми выпущенными промышленностью светодиодами с красным цветом свечения (Хт а х » 698 нм). Рекордное значение внешнего

излучательная рекомбинация идет через глубокий акцепторный уровень А1. Внешний квантовый выход излучения в светодиодах из этого непрямозонного полупроводника невысок: в начале 90-х годов его значение составляло 0,03%.

Хотя введение центров эффективной излучательной рекомбинации и позволяет создать на основе непрямозонных полупроводников светодиоды с достаточно высоким квантовым выходом, наибольший интерес все же представляют прямозонные полупроводники, на которых можно достигнуть более значимых результатов. Кроме упоминавшегося выше твердого раствора

ширина запрещенной зоны, отвечающая переходу к непрямозонному полупроводнику, в Alx Gai_x As меньше, чем в GaAsj _ x P z , из этого материала до сих пор изготавливают яркие красные светодиоды (Я т а х ~ 660 нм). Среди других полупроводников с прямой структурой зон, имеющих в настоящее время наибольшее значение, следует отметить нитрид галлия GaN, твердые растворы на его основе In x Gai _ x N и Alx Gai_x N, а также четверной твердый раствор Ali_x _y Iny Gax P. Из последнего, в частности, изготавливают сверхъяркие светодиоды с желтым, оранжевым и красным свечением (Лт а х = 568-635 нм). После тщательной проработки проблемы вывода излучения из образца [307] внешний квантовый выход в светодиодах из был доведен до 55%, а светоотдача — до 100 лм/Вт [308]. Из твердых растворов InxGaj - jN изготавливают яркие светодиоды с зеленым, сине-зеленым, синим и фиолетовым свечением с внешним квантовым выходом до 63% (?]. 1) Кроме того, разработаны зеленые и синие светодиоды из твердых растворов полупровод-

') При этом внутренний квантовый выход излучения достигает 82% [309]. 2) В настоящее время основным недостатком светодиодов и инжекционных лазеров на основе гетероструктур в полупроводниках группы A U B V I является

очень быстрая деградация интенсивности люминесценции [310].

в создании высокоэффективных (сверхъярких) светодиодов, связан с использованием гетеропереходов и структур с квантовыми ямами. Использование гетеропереходов позволяет добиться направленной инжекции носителей в область диода, в которой происходит наиболее эффективная излучательная рекомбинация, а использование квантовых ям — свести к минимуму поглощение излучения в полупроводниковой структуре и тем самым обеспечить высокий внешний квантовый выход светодиода.

Инфракрасные светодиоды. Для изготовления светодиодов,

работающих в инфракрасной (ИК) области спектра, используются полупроводники, ширина запрещенной зоны которых не превышает 1,5 эВ. Наиболее важное значение среди них имеют GaAs, GaSb, InAs, твердые растворы In^Gai-xAsyPi-y, InsGai-sAs, Gai-zAlzAsySbi-y. Светодиоды из арсенида галлия характеризуются самым высоким внутренним (99,7%) и довольно высоким внешним (более 40% [311]) квантовым выходом люминесценции, что связано с тем, что среди всех прямозонных полупроводников он является наиболее технологически освоенным.

Одним из наиболее важных применений ИК-светодиодов является их использование в качестве источников излучения в оптронах и системах волоконно-оптической связи. В последнем случае, поскольку длина волны излучения светодиодов должна соответствовать одному из минимумов оптических потерь в кварцевом стекловолокне (1,3 или 1,55 мкм), их изготавливают из твердого раствора InxGai-^AsyPi-y.

Другим применением инфракрасных светодиодов является мониторинг окружающей среды (контроль за загрязнением атмосферы выхлопными газами). Максимумы в спектрах излучения

Конструкции светодиодов. При разработке светодиодов

важно создать такую конструкцию прибора, при которой возникающее в р-п-переходе излучение эффективно выводилось бы из образца. Одним из основных параметров светодиода является его внешний квантовый выход, который связан с внутренним квантовым выходом люминесценции (7.40)

2Э" эпитаксиальный слой

соотношением ^в н е ш = т/0г/внуТр. Входящая в это соотношение величина г}0, называемая коэффициентом вывода света, как раз

и характеризует эффективность вывода излучения из образца. Среди светодиодных структур основной является структура

с плоской геометрией (см. рис. 7.25). Обычно р-гс-переход в светодиоде создают в эпитаксиальном слое, выращенном на подложке. Свет, генерируемый в области р-п-перехода, испускается во всех направлениях, однако из образца может выйти лишь небольшая его доля. Дело в том, что при переходе света из среды с высоким показателем преломления (в полупроводниках, используемых для изготовления светодиодов, щ находится в пределах 3,3-3,8) в среду с низким показателем преломления п\ (например, в воздух) большая его часть испытывает полное внутреннее отражение от границы раздела и возвращается обратно в образец. Это происходит для лучей, угол падения которых на границу раздела превышает критический угол,

Можно показать, что когда граница раздела плоская, излучение выводится только через верхнюю грань диода и многократным отражением света внутри образца можно пренебречь (то есть отраженный от границы раздела свет полностью поглощается в образце), коэффициент вывода света составляет всего

TJo = (1 - costfc ) - Т « 1,3-1,6%.

Коэффициент вывода света может дополнительно уменьшаться в результате поглощения света в объеме полупроводника даже на первом проходе, однако если придать поверхности образца специальную форму, использовать просветляющее покрытие и отражающие контакты, то можно заметно его повысить. Большую роль для получения высокого внешнего квантового выхода светодиода играет и выбор материала подложки: чем меньше поглощение в подложке, тем выше вероятность того, что после многократных отражений внутри структуры свет все-таки выйдет за пределы образца (ср. рис. 7.25а и рис. 7.256).

Рис. 7.26. Поперечное сечение трех конструкций светодиодов с улучшенной геометрией вывода излучения

На рис. 7.26 показаны поперечные сечения трех конструкций светодиодов с полусферической, усеченной сферической (сфера Вейерштрасса) и параболической геометрией. Основной особенностью этих конструкций является то, что все испускаемые р - п - переходом фотоны падают на границу раздела под углом меньше критического и, следовательно, не испытывают полного внутреннего отражения. При этом коэффициент вывода света может (теоретически) увеличиться в « 2 г г раз. Различие рассматриваемых геометрий светодиодов будет проявляться только в угловом распределении интенсивности света (диаграммах направленности) .

Использование просветляющего покрытия (например, помещение образца полупроводника в среду из пластмассы) увеличивает внешний квантовый выход излучения за счет увеличе-

1,4-1,8, что позволяет увеличить квантовый выход в 2 - 3 раза. Для инфракрасных светодиодов в качестве просветляющего покрытия можно также использовать легкоплавкие халькогенидные стекла, имеющие еще более высокий показатель преломления (2,4-2,9). Важно, что геометрическую форму, необходимую для формирования заданной диаграммы направленности, можно придавать просветляющему покрытию, а не полупроводниковому кристаллу, что существенно удешевляет стоимость производства светодиодов.

Несколько типичных конструкций светодиодов показано на рис. 7.27. Их общими элементами являются полупроводниковый кристалл и пластмассовая линза, которая часто окрашивается с целью повышения контраста и коррекции спектра излучения. Конструкции, показанные на рис. 7.27а,б, выполнены на базе обычных транзисторных и диодных корпусов, которые обеспечивают отвод выделяющегося при работе тепла. В конструкции, изображенной на рис. 7.27 в, полупроводниковый кристалл и токоограничительный резистор располагаются на толстых металлических выводах диода, по которым и отводится выделяющееся тепло.

При использовании инфракрасных светодиодов в качестве источников излучения для волоконно-оптических линий связи важной задачей является эффективный ввод излучения в световод, диаметр которого измеряется десятками мкм. Для этого разработаны специальные конструкции светодиодов [14], одна из которых представлена на рис. 7.28. В этой конструкции используется светодиодная структура с двумя гетеропереходами AlGaAs/GaAs, в которой тонкий активный слой из p-GaAs окружен слоями более широкозонного AlxGai-xAs, Это увеличивает эффективность излучательной рекомбинации за счет локализации инжектируемых электронов и дырок в узкозонной части

свет

стекловолокно

эпоксидная ямка смола

травления

n-AlGaAs rv p-GaAs

р-AIGaAs p+ -GaAs

S i 0 2

Рис. 7.28. Конструкция поверхностно-излучающего светодиода на основе двойной гетероструктуры AIGaAs/GaAs

структуры. Возникающее при этом излучение выводится через широкозонный слой практически не поглощаясь.

Локализация излучающей области в горизонтальной плоскости осуществляется путем ограничения размера окна в слое SiC>2, через которое создается контакт к нижнему р+ -слою структуры. Для уменьшения потерь на поглощение и обеспечения точного согласования положения торца световода и излучающей области в структуре с помощью фотолитографии вытравливается ямка, глубина которой делается такой, чтобы был полностью удален верхний контактный слой n-GaAs.

Белые светодиоды. Создание «белых» светодиодов является новым направлением в разработке полупроводниковых источников света, Благодаря успехам технологии и использованию новых полупроводниковых материалов (GaN и твердых растворов на его основе) стало возможным создавать синие, фиолетовые и ультрафиолетовые светодиоды, квантовый выход которых возрос настолько, что стало реально возможным их использование для решения задачи «твердотельного освещения». Важнейшим преимуществом светодиодов по отношению к лампам накаливания является высокая долговечность светодиодов, измеряемая десятками тысяч часов.

Полупроводниковые источники белого света можно создать несколькими способами. Прежде всего, можно смешать свет, испускаемый красным, зеленым и синим светодиодами. Хотя такие источники достаточно дороги, их преимуществом является возможность очень гибкой настройки оттенков белого света. Более дешевой является конструкция, в которой один светодиод