Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

442 Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

возбуждает люминофор (фосфор) или их смесь, дающую (иногда в комбинации с возбуждающим излучением) белое свечение [312].

Самой простой из таких конструкций является конструкция, в которой в качестве источника используется синий светодиод из InzGaj-xN (Л = 470 нм), возбуждающий люминофор с желтым свечением (УзА15 01 2(Се3 + )). Комбинация желтого и синего

Nichia. В настоящее время светоотдача таких белых светодиодов достигла 138 лм/Вт [309] 1), то есть уже превысила светоотдачу ламп накаливания (15-20 лм/Вт) и люминесцентных ламп (70-100 лм/Вт) 2).

Во второй конструкции синий светодиод возбуждает смесь люминофоров с красным (Sr$2(Eu2 + ), Y202S(Eu3 + )) и зеленым (SrGa2 S4 (Eu2 + ), ZnS(Cu,AI)) свечением. Наконец, существует третья конструкция, в которой смесь синего, зеленого и красного люминофоров возбуждается ультрафиолетовым светодиодом. Светодиоды последних двух конструкций характеризуются белым свечением, более близким к естественному освещению, но требуют тщательного выбора люминофоров, спектры возбуждения люминесценции которых были бы согласованы со спектром возбуждающего излучения. Сотрудники фирмы Sandia в качестве люминофоров для белых светодиодов успешно используют квантовые точки на основе CdS, спектрами возбуждения и люминесценции которых можно управлять, изменяя размер точек.

К сожалению, по состоянию на 2006 г. стоимость получения единицы светового потока с помощью белых светодиодов

') В конце 2006 г. сотрудники фирмы Nichia сообщили о преодолении

учитывают спектральную чувствительность человеческого глаза. Напомним, что за единицу силы света в этой системе принимается кандела, которая определена как сила света, испускаемая с площади 1/60 см2 абсолютно черным телом, температура которого равна температуре затвердевания платины

3) Для сравнения укажем, что стандартная 60-ваттная лампа накаливания производит световой поток около 850 лм.

источников света частично компенсируется их более высокой долговечностью. Поэтому применение светодиодов для целей освещения пока ограничивается небольшими объектами (светофоры, сигнальные фонари на автомобилях, карманные фонарики, подсветка мобильных телефонов, элементы рекламы). Согласно существующим прогнозам, в скором будущем светоотдача белых светодиодов достигнет 200 лм/Вт, стоимость их производства заметно снизится и они станут конкурентоспособными по отношению к люминесцентным лампам.

Светодиоды на основе органических полупроводников.

Конкурентами источников белого света и светодиодов на основе полупроводников A n i B v и A n B V I являются источники на основе

органических полупроводников. То, что многие органические вещества обладают весьма интенсивной экситонной люминесценцией, было известно давно. Специалисты фирмы Eastman Kodak обнаружили явление электролюминесценции в органических полупроводниках еще в 70-х годах, однако чрезвычайно высокие напряжения (>1000 В), которые требовались для ее возбуждения, не позволяли практически использовать этот интересный эффект.

Существенный прорыв в создании источников света на основе органических полупроводников был сделан Тангом и ван Слайком [313], которые предложили использовать многослойную структуру (по сути гетеропереход) для осуществления эффективной инжекции электронов и дырок в органический материал. Это позволило им получить внешний квантовый выход 0,01 фотон/электрон, яркость >1000 кд/м2 и светоотдачу 1,5 лм/Вт

взеленой области спектра при рабочих напряжениях менее 10 В.

Кнастоящему времени найдены целые классы органических ве-

ществ с красным, зеленым, синим (и белым при их сложении) свечением, яркость люминесценции которых >1000 кд/м2 , а долговечность — 20-40 тысяч часов [314].

Основной трудностью в разработке светодиодов из органических полупроводников является создание условий для эффективной инжекции электронов и дырок в структуру и их доставки в область с высокой вероятностью излучательной рекомбинации.

ная структура состоит из двух очень тонких (несколько сотен А)

444 Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

слоев HMTPD и Alq3, в которых по зонам HOMO и LUMO ') происходит перенос инжектируемых из контактов электронов и дырок, и тонкой области TAZ, в которую добавлены металлорганические комплексы 1г(рру)з или 1г(рру)2(асас) с очень эффективной фосфоресценцией. В этой области электрон и дырка встречаются, образуют экситон, возбуждение которого передается металлорганическому комплексу. Для эффективной инжекции дырок в широкозонный полупроводник контакт к HMTPD должен иметь высокую работу выхода (обычно им является ITO — оптически прозрачный проводящий окисел 1П2О3, легированный Sn), а для инжекции электронов в АЦз используют металл с низкой работой выхода (Са или M g с примесью Ag). Поскольку высота барьера для дырок на контакте тем не менее остается высокой (~0,9 эВ), инжекция в полупроводник ограничивается термоэлектронной эмиссией или же (при высоких приложенных напряжениях) происходит путем туннелирования через барьер в сильном электрическом поле (по механизму ФаулераНордгейма). Трудности инжекции и низкая подвижность носителей ( ~ 1 0 ~ 5 с м 2 / В - с ) определяют довольно высокое падение напряжения в прямом направлении на светодиодах из органических полупроводников.

Рис 7.29. Энергетическая диаграмма светодиода на основе органического полупроводника [315]. HMTPD, A)q3. TAZ и Ir(ppy)2(acac) - аббревиатуры довольно длинных названий органических соединений. Квадратными точками показано энергетическое положение орбиталей HOMO и LUMO в красителе 1г(рру)2(асас)

Внешний квантовый выход светодиодов с зеленым цветом свечения и активным слоем, содержащим 1г(рру)з, по данным работы [316] составляет 8%, а светоотдача — 31 лм/Вт; позже на похожей структуре был получен внешний квантовый выход 19% и светоотдача 60 лм/Вт при внутреннем квантовом выходе 87% [315]. Эти результаты близки к лучшим результатам, полученным на светодиодах из полупроводников А1 П В . Фирма Eastman Kodak совместно с другими производителями бытовой техники уже освоила промышленный выпуск небольших дисплеев на основе органических полупроводников для цифровых фотоаппаратов и мобильных телефонов и проводит эксперименты по созданию мониторов для компьютеров и телевизоров, которые по своим параметрам (толщине, яркости свечения, экономичности) уже сейчас превосходят жидкокристаллические LCD-мониторы.

7.2.3. Инжекционные полупроводниковые лазеры. Ана-

лизируя формулу Планка для спектра излучения абсолютно черного тела, Эйнштейн [317] пришел к выводу, что наряду со спонтанными (самопроизвольными) излучательными переходами должны существовать и вынужденные переходы, вероятность которых пропорциональна плотности энергии электромагнитных колебаний в среде (см. рис. 7.30). При таких переходах второй

Е2

TILS

фотон, возникающий при прохождении первого фотона через вещество, обладает теми же частотой, фазой, поляризацией и направлением распространения, что и первый фотон. В состоянии термодинамического равновесия отношение темпа вынужденных переходов к темпу спонтанных переходов равно

1 / [ехр(Rw/feT)- 1],

то есть исчезающе мало [302]. Однако если в среде создать высокую плотность электронного возбуждения, то ситуация может существенно измениться. Так, если вероятность вынужденного перехода окажется выше вероятности поглощения фотона,

446 Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

то в среде возникнет оптическое усиление и в ней можно осуществить генерацию вынужденного излучения.

Впервые генерация вынужденного излучения была осуществлена в микроволновой (СВЧ) области в 1954 г., а в видимой области спектра — в 1960 году. Теоретические основы возможности возбуждения вынужденного излучения в полупроводниках были заложены в 1959-1961 гг. [318]. Генерацию вынужденного излучения в прямозонном полупроводнике GaAs впервые наблюдали в 1962 г. практически одновременно авторы работ [319-321]. Источники вынужденного микроволнового излучения получили название мазеров, а источники вынужденного излучения в видимой области и близких к ней инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра — лазеров 0.

Полупроводниковые лазеры находят применение в устройствах чтения и записи компактных дисков (CD, D V D ) , в телекоммуникации, в системах прецизионного измерения перемещений, в спектроскопии высокого разрешения, для накачки твердотельных лазеров, в областях, связанных с обработкой материалов (резка, микросварка), в медицине

4 5 - 6 5 % . Долговечность современных лазеров измеряется миллионами часов.

Найдем условия возникновения оптического усиления в пря-

и валентной зоны. Если предположить, что матричный элемент перехода не зависит от энергии электрона Е, то вероятность поглощения кванта при его взаимодействии с полупроводником равна

(7.41)

а вероятность вынужденного излучения —

l) Термины maser и laser являются аббревиатурами английских выражений microwave amplification by stimulated emission of radiation и light amplification by stimulated emission of radiation.

Разность этих двух интегралов, равная

W(hw) = В' pv(E - tiw)pc{E)[fc(E) - fv(E - bu)]dE, (7.43)

и определяет, будет ли распространяющаяся в полупроводнике волна усиливаться или ослабляться. Усиление возможно только тогда, когда вероятность вынужденного испускания второго фотона первичным фотоном превышает вероятность поглощения первичного фотона. Если предположить, что распределение носителей в разрешенных зонах описывается квазиуровнями Ферми F* и F* (см. формулу (1.18)), то из формулы (7.43) следует, что для возникновения оптического усиления необходимо выполнение условия

при котором для любой пары энергетических уровней, разделенных зазором АЕ = Ъш, выполняется соотношение / с > fv. Такое состояние называется инверсной населенностью. Если в полупроводнике нет примесных уровней и хвостов плотности состояний, то из уравнений (7.43) и (7.44) следует, что для возникновения в нем вынужденного излучения необходимо, чтобы электроны и дырки были вырождены хотя бы в одной из зон.

&

S

а, 4 -

1253,6

/ , мА

Рис. 7.31. Зависимость выходной мощности лазера на двойной гетероструктуре InP/InGaAsP/InP от тока диода и качественный вид спектров излучения ниже ( / = 50 мА) и выше ( / = 85 мА) порога генерации [323]. Интерференция в спектре спонтанного излучения обусловлена тем, что излучение выводится из резонатора Фабри-Перо

448 Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

Однако одной только инверсной населенности и оптического усиления в среде недостаточно для создания лазера, поскольку возникающие спонтанным образом фотоны, усиленные в ак-

сти колебаний необходимо, чтобы часть фотонов, прошедших через активную область, возвращалась в нее и поддерживала оптическую обратную связь. Иными словами, активная область лазера должна быть помещена в оптический резонатор. В первых лазерах из GaAs для создания резонатора использовалась замечательная способность этих кристаллов раскалываться по плоскостям спайности (110). Используя это свойство, в образце можно было создать две практически идеально параллельные грани, то есть поместить активную среду в резонатор ФабриПеро. Когда оптическое усиление в активной области начинает превышать потери на вывод излучения из резонатора, мощность выходного излучения лазера резко (пороговым образом) возрастает, а в спектрах появляется модовая структура —- узкие линии, отвечающие определенным модам собственных колебаний резонатора (см. рис. 7.31). Это и есть лазерная генерация.

Найдем условие возникновения лазерной генерации. Предполагая, что электронно-дырочные пары, создаваемые путем пропускания тока инжекции плотностью J, рекомбинируют с квантовым выходом г] в активной области толщиной d и спектр излучения при этом имеет среднюю энергию v и полуширину Дгл Лэшер и Стерн [324] рассчитали линейный коэффициент оптического усиления д в полупроводнике:

где пг — показатель преломления среды, а с — скорость света в вакууме. В действительности коэффициент оптического усиления изменяется с током по закону

где Jq — плотность тока, необходимая для достижения инверсной населенности. Пусть коэффициент отражения зеркал резонатора лазера равен R, длина резонатора равна L, доля полной световой энергии в резонаторе, которая приходится на активную

область структуры (коэффициент оптического ограничения),

равен Г, а коэффициент дополнительных потерь излучения за счет поглощения на свободных носителях в активной области