Нижегородский государственный университет

им. Н.И.ЛОБАЧЕВСКОГО

ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ В p-n ПЕРЕХОДАХ

Лаборатораная работа

Составители: В.И.Гавриленко, Д.Г.Ревин

Нижний Новгород, 1997

1. Излучательная рекомбинация

Если в полупроводнике возбуждаются неравновесные электронно-дырочные пары, то часть энергии при рекомбинации может излучиться в виде квантов света. Такой процесс называется излучательной рекомбинацией - люминесценцией.

Один из наиболее удобных способов возбуждения полупроводника - пропускание прямого тока через p-n-переход, т.е. инжекция неосновных носителей.

Излучательная рекомбинация, возбуждаемая прямым током через p-n-переход, называется инжекционной электролюминесценцией. При этом в полупроводниковых диодах происходит прямое преобразование энергии электрического тока в энергию света (рис.1).

Цель работы состоит в экспериментальном исследовании интенсивности и спектров излучения светодиодов из арсенида галлия GaAs и арсенида галлия-фосфора GaAs_1-xP_x.

Рис.1. Схема преобразования энергии электрического тока в энергию

излучения в люминесцентном диоде.

1.1. Механизмы излучательной рекомбинации

Процесс рекомбинации электронов и дырок может сопровождаться излучением квантов света h в том случае, если выделяемая при этом энергия значительно превышает энергию, которую может поглотить решетка. Так, при непосредственной межзонной рекомбинации электронов и дырок энергия излучаемого кванта близка к ширине запрещенной зоны полупроводника: в GaAs E_g 1,42 эВ. Энергия же теплового движения атомов при комнатной температуре составляет всего 0,026 эВ, а энергия квантов колебаний решетки - фононов - порядка 0,03 - 0,05 эВ. Следовательно, h E_g . В процессе рекомбинации через примесные центры энергия, выделяемая при захвате электрона на акцепторный уровень или дырки на донорный, меньше, но того же порядка h E_g.

Если в полупроводнике кроме мелких есть глубокие примесные центры, рекомбинация на которых идет безизлучательным путем, то доля излучательной рекомбинации понижается и может быть пренебрежимо мала. Таким образом, повышение интенсивности излучения светодиода требует определенного примесного состава полупроводника.

Вероятность межзонной излучательной рекомбинации во многом зависит от энергетического спектра полупроводника. Если абсолютный минимум зоны проводимости (c-зоны) и абсолютный максимум валентной зоны (v-зоны) расположены в одной точке зоны Бриллюэна, то излучательные переходы могут происходить без изменения квазиимпульса - это прямые переходы (рис. 2а). Если положения абсолютных экстремумов c- и v- зон в зоне Бриллюэна не совпадают (рис. 2б), то при излучательном переходе должно происходить изменение квазиимпульса электрона. Для соблюдения законов сохранения часть энергии и избыточный квазиимпульс должны передаваться третьему “телу” - примесному атому или кванту колебаний решетки - фонону. Такие переходы называются непрямыми. Поскольку для непрямого перехода необходимо взаимодействие трех “частиц”, то его вероятность много меньше вероятности прямого перехода.

Рис.2. Прямые (а) и непрямые (б) межзонные переходы.

Число межзонных излучательных переходов в единицу времени в единице объема при малых уровнях возбуждения и невырожденном полупроводнике пропорционально произведению np концентраций рекомбинирующих электронов и дырок: R = Bnp. Постоянные B для прямозонных и непрямозонных полупроводников различны и равны по порядку величины 10^-10 и 10^-14 см³с^-1 соответственно.

Если излучательная рекомбинация дырок (в полупроводнике n-типа) идет на донорные уровни или рекомбинация электронов (в полупроводнике p-типа) - на акцепторные уровни, то число излучательных переходов пропорционально концентрации соответствующих уровней (центров):

R_d = B_d N_d p, R_a = B_a N_a n.

Постоянные R_d и R_a того же порядка, что и постоянные для межподзонных переходов; для непрямых переходов они много меньше, чем для прямых.

В светодиодах излучательная рекомбинация в большинстве случаев идет с участием примесей.

В непрямозонных полупроводниках излучательный механизм может давать существенный вклад в полную рекомбинацию, если и электрон и дырка последовательно захватываются на примесный центр, а затем возбуждение, локализованное вблизи центра, передается кванту света.

В тройных твердых растворах типа А³В⁵, например Ga_1-xAl_xAs или GaAs_1-xP_x, расстояние между минимумами зоны проводимости в точках Г и Х относительно потолка валентной зоны изменяется так, что при малых х проводник является прямозонным, а при больших - непрямозонным (рис.3). Поскольку величина E_g увеличивается с параметром х, излучение переходит из инфракрасной области в видимую. Однако квантовый выход излучения при этом может резко упасть, если значение E_g определяется непрямым переходом.

Рис.3. Зависимость ширины запрещенной зоны от состава твердого раствора

Ga_1-xAl_xAs; переход от прямозонного полупроводника к непрямозонному.