Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

432

Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

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 (донор-

зона). 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 интенсив-

ной, чем краевая люминесценция.

Обычно излучательная рекомбинация является не един-

ственным 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 т

изл

= An/R„ад и Тбезызд = Ап/Лбезызд определить излучательное и

безызлучательное время жизни, то можно ввести понятие кван-

тового выхода люминесценции, который равен доли излучатель-

ных переходов в полном темпе рекомбинации:

Яиз л ^беэызл //7

АГ

Цвнутр = Ъ Гр = • (

°)

Л-изл "г -Лбезызл 'беэызл ' Тизл

7.2.2. Светодиоды. Светодиодами называют р-п-перехо-

ды, которые при пропускании через них электрического тока ис-

пускают электромагнитное излучение в видимой, инфракрасной

или ультрафиолетовой областях спектра [304]. Это излучение

возникает в результате излучательной рекомбинации инжекти-

рованных носителей; механизмы такой рекомбинации были рас-

смотрены нами в п. 7.2.1.

Среди светодиодов особое значение имеют светодиоды, кото-

рые излучают в видимой области спектра (Я = 0,39-0,77 мкм) —

области чувствительности человеческого глаза. Эти светодио-

ды широко применяются для создания небольших информаци-

онных табло, в качестве сигнальных огней в автомобилях и

светофорах, индикаторов в электронной аппаратуре. Их можно

использовать в качестве источников света в оптронах (см. под-

строчное замечание на с. 410) и оптотиристорах (см. с. 235).

Они широко применяются для создания локальной подсветки

(мобильные телефоны, велосипеды), а в последние годы начаты

работы по использованию их для замены ламп накаливания

в более широкомасштабных задачах освещения (см. с. 441).

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры

433

А(мкм) £

(эВ)

ZnS

SnO.

CuAlS

GaN

ZnO

относительная

чувствитель-

ность глаза

4Н SiC

CuCl

6Н SiC

ZnSe

CdS

A1P

2,4 — 3CSiC

GaP " 2nT?

" AlAs

CuBr

GaS

CuAlSe

AgGaS

CuGaS

-1,4

GaAs

CdSe

CdSiP

GaSc ^

™ ZnGeP,

Bp AgInS

ZnSiAs

7nP

= AgGaS^

AlSb CdGeP

^g^

CdTe

CdR

CuInS

Рис. 7.23. Полупроводники, представляющие интерес для создания светодио-

дов, работающих в видимой области спектра [304]. Приводимые значения Е

уточнены по [305, 306]. Для тройных соединений A"B

C^, кристаллизую-

щихся в структуре халькопирита, указаны значения энергии псевдопрямых

переходов. Сплошные и пунктирные линии отвечают, соответственно, прямо-

зонным и непрямозонным полупроводникам

Полупроводники, из которых могут быть созданы такие светоди-

оды, должны иметь ширину запрещенной зоны Е

> 1,8 эВ (см.

рис. 7.23)

{

) Речь идет о светодиодах, в которых фотон рождается в результате

рекомбинации одной электронно-дырочной пары. В конце 60-х годов были раз-

работаны светодиоды из GaAs с люминофорным покрытием, в которых видимое

(голубое, зеленое или красное) излучение возбуждалось в результате поглоще-

ния люминофором двух или трех квантов инфракрасного излучения (304].

434

Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

3,0

2,8

2,6

2,4

2,2

* 2,0

1,6

1,4

1,2

GaAs °'

0,4 0,6 0,8

GaP

GaAs 0-2 0,4 0,6 0,8

GaP

х х

Рис. 7.24. Зависимость ширины запрещенной зоны для прямых (Г-Г) и непря-

мых (Г-Х, Г-L) переходов в GaAsi-zP* (а) и Al

Gai_

As (б) от параметра

состава х [304, 306]

Одним из первых практически важных материалов для све-

тодиодов видимого диапазона стал твердый раствор GaAsi^P^,

относящийся к соединениям группы А

В\ На рис. 7.24 а по-

казана зависимость ширины запрещенной зоны этого твердого

раствора от параметра состава х. В области 0 < х < 0,45 наиниз-

ший по энергии минимум зоны проводимости лежит в Г-точке

зоны Бриллюэна и оптические переходы — прямые. При х >

> 0,45 полупроводник становится непрямозонным. Поскольку,

как мы уже говорили выше, в непрямозонном полупроводнике в

излучательной рекомбинации должна принимать участие третья

частица, то вероятность излучательной рекомбинации в таком

полупроводнике обычно на несколько порядков меньше, чем в

прямозонном. Поэтому эффективную краевую люминесценцию

в GaAsi-xPa; удается получить только при х < 0,45 (Е

<1,99 эВ), то есть таким способом можно создать светодиоды

только с красным и оранжево-красным свечением.

Однако если в непрямозонном полупроводнике сделать эф-

фективной передачу импульса, то и в таких материалах мож-

но получить достаточно высокий внутренний квантовый выход

люминесценции. Это достигается путем введения в кристаллы

центров эффективной излучательной рекомбинации. В фос-

фиде галлия (GaP), являющемся типичным непрямозонным по-

лупроводником, таким центром может служить изоэлектронная

' X

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры

435

ловушка N. Азот в GaP замещает атомы фосфора в узлах ре-

шетки и является изоэлектронной примесью. Азот и фосфор

имеют одинаковую внешнюю электронную структуру (оба отно-

сятся к V группе элементов периодической системы), однако их

атомные радиусы и электроотрицательности сильно различают-

ся, и поэтому на месте примеси в кристалле формируется ко-

роткодействующий потенциал, способный связывать электроны.

В исходном состоянии изоэлектронная ловушка нейтральна. В р-

области диода инжектированный электрон сначала захватывает-

ся на центр. Отрицательно заряженный центр затем захватывает

дырку из валентной зоны, формируя связанный экситон, После-

дующая 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 локали-

зован 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)

и GaAsi-ajP^N) были изготовлены первые светодиоды с зеленым

и желто-зеленым свечением (Л

тах

» 565 и 589 нм), внешний

квантовый выход которых достигал ~0,7% [304].

Другим примером эффективных центров излучательной ре-

комбинации 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 реком-

бинация связанных экситонов, локализованных на ближайших

парах Zn-O, и рекомбинация связанных на комплексе Zn-0

электронов со свободными дырками. Измерения сечения захвата

электрона на комплекс Zn-О позволили оценить максимальный

внутренний квантовый выход люминесценции в GaP(Zn,0), ко-

торый составил ~35%. Светодиоды из GaP(Zn,0) были первыми

выпущенными промышленностью светодиодами с красным цве-

том свечения (Х

тах

» 698 нм). Рекордное значение внешнего

436 Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

квантового выхода, полученное на этих светодиодах, составляет

12% [304].

В синих светодиодах из карбида кремния SiC (X

max

^ 470 нм)

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 реком-

бинации и позволяет создать на основе непрямозонных полу-

проводников светодиоды с достаточно высоким квантовым вы-

ходом, наибольший интерес все же представляют прямозонные

полупроводники, на которых можно достигнуть более значи-

мых результатов. Кроме упоминавшегося выше твердого раствора

GaAs]_xPx с х < 0,45, прямозонными полупроводниками явля-

ются твердый раствор Al

Gai_

As при ж < 0,31 (Е

< 1,90 эВ),

твердый раствор Ini_

P при х < 0,62 (Е

< 2,18 эВ), твер-

дый раствор Al

Ini_

P при х < 0,39 (Е

< 2,23 эВ), Хотя

ширина запрещенной зоны, отвечающая переходу к непрямозон-

ному полупроводнику, в Al

Gai_

As меньше, чем в GaAsj_

из этого материала до сих пор изготавливают яркие красные

светодиоды (Я

тах

~ 660 нм). Среди других полупроводников с

прямой структурой зон, имеющих в настоящее время наибольшее

значение, следует отметить нитрид галлия GaN, твердые раство-

ры на его основе In

Gai_

N и Al

Gai_

N, а также четверной

твердый раствор Ali_

P. Из последнего, в частности,

изготавливают сверхъяркие светодиоды с желтым, оранжевым

и красным свечением (Л

тах

= 568-635 нм). После тщательной

проработки проблемы вывода излучения из образца [307] внеш-

ний квантовый выход в светодиодах из Ali_

_yIn

P был

доведен до 55%, а светоотдача — до 100 лм/Вт [308]. Из твердых

растворов InxGaj-jN изготавливают яркие светодиоды с зеле-

ным, сине-зеленым, синим и фиолетовым свечением с внешним

квантовым выходом до 63% (?].

) Кроме того, разработаны

зеленые и синие светодиоды из твердых растворов полупровод-

ников группы A

— ZnTeo.iSeo,9 и Zno.9Cdo.1Se с внешним

квантовым выходом до 5,3% [310]

). Наиболее коротковолно-

вое излучение позволяют получить светодиоды из Al

Gaj_iN,

') При этом внутренний квантовый выход излучения достигает 82% [309].

) В настоящее время основным недостатком светодиодов и инжекционных

лазеров на основе гетероструктур в полупроводниках группы A

является

очень быстрая деградация интенсивности люминесценции [310].

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры

437

которые излучают в ультрафиолетовой области спектра (Л

тах

= 250-370 нм) и имеют выходную мощность порядка 1 мВт.

Существенный прогресс, достигнутый за последние годы

в создании высокоэффективных (сверхъярких) светодиодов, свя-

зан с использованием гетеропереходов и структур с квантовы-

ми 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 обеспе-

чить высокий внешний квантовый выход светодиода.

Инфракрасные светодиоды. Для изготовления светодиодов,

работающих в инфракрасной (ИК) области спектра, исполь-

зуются 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 доволь-

но высоким внешним (более 40% [311]) квантовым выходом

люминесценции, что связано с тем, что среди всех прямозонных

полупроводников он является наиболее технологически освоен-

ным.

Одним из наиболее важных применений И К-светодиодов яв-

ляется их использование в качестве источников излучения в оп-

тронах и системах волоконно-оптической связи. В последнем

случае, поскольку длина волны излучения светодиодов должна

соответствовать одному из минимумов оптических потерь в квар-

цевом 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 атмо-

сферы выхлопными газами). Максимумы в спектрах излучения

таких светодиодов должны совпадать с полосами поглощения N0

и СО2 (X = 4-5 мкм). Такие светодиоды могут быть созданы из

твердых растворов полупроводников A

(PbSi-^Sea;).

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)

438

Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

область

поглощения

фотонов

(

варизонный слой

— GaAst-iP-e

х=0

0,4

испускаемый свет

2Э" эпитаксиальный слой

[ GaAsi-iP-B

отражающий

контакт б

Рис. 7.25. Прохождение света, испускаемого р-п-переходом, в структурах

с сильно и слабо поглощающей подложкой [14]

соотношением ^

внеш

= т/

г/

внуТ

р. Входящая в это соотношение ве-

личина г}

, 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 под-

ложке. 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 полупроводни-

ках, 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 обрат-

но в образец. Это происходит для лучей, угол падения которых

на границу раздела превышает критический угол,

Кроме того, даже при tf < i9

часть фотонов отражается от

границы раздела полупроводник-воздух и средний коэффициент

пропускания составляет

= arcsin(nj/n2)-

Т « Т„

ОР

м = 4П]П

/(П| +п

)

«0,7.

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры

439

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 - costf

)

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 специ-

альную форму, использовать просветляющее покрытие и отража-

ющие 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).

_ полупроводник

чр-п-переход / < р-тг-переход р-п-переход

контакты контакты контакты

а б в

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 особен-

ностью этих конструкций является то, что все испускаемые р-п-

переходом фотоны падают на границу раздела под углом меньше

критического и, следовательно, не испытывают полного внут-

реннего отражения. При этом коэффициент вывода света может

(теоретически) увеличиться в «2гг раз. Различие рассматривае-

мых геометрий светодиодов будет проявляться только в угловом

распределении интенсивности света (диаграммах направлен-

ности) .

Использование просветляющего покрытия (например, поме-

щение образца полупроводника в среду из пластмассы) увели-

чивает внешний квантовый выход излучения за счет увеличе-

ния критического угла На практике показатель преломле-

ния используемых просветляющих покрытий лежит в пределах

440 Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

1,4-1,8, что позволяет увеличить квантовый выход в 2-3 раза.

Для инфракрасных светодиодов в качестве просветляющего по-

крытия 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 при-

давать просветляющему покрытию, а не полупроводниковому

кристаллу, что существенно удешевляет стоимость производства

светодиодов.

пластмассовая

линза

стеклянное

окно

диод

металлическим

корпус

анод-

катод

стеклянный

изолятор

анод

пластмассовая

линза

катод

стеклянный

изолятор

катод

резистор

пластмассовая

/ линза

ободок

анод

Рис. 7.27. Конструкции типичных 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 обеспечи-

вают отвод выделяющегося при работе тепла. В конструкции,

изображенной на рис. 7.27 в, полупроводниковый кристалл и то-

коограничительный резистор располагаются на толстых метал-

лических 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 све-

товод, диаметр которого измеряется десятками мкм. Для этого

разработаны специальные конструкции светодиодов [14], одна

из которых представлена на рис. 7.28. В этой конструкции ис-

пользуется светодиодная структура с двумя гетеропереходами

AlGaAs/GaAs, в которой тонкий активный слой из p-GaAs окру-

жен слоями более широкозонного AlxGai-xAs, Это увеличивает

эффективность излучательной рекомбинации за счет локализа-

ции инжектируемых электронов и дырок в узкозонной части

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры

441

свет

стекловолокно

ямка

травления

эпоксидная

смола

n-AlGaAs

p-GaAs

р-AIGaAs

-GaAs

Si0

Рис. 7.28. Конструкция поверхностно-излучающего светодиода на основе двой-

ной гетероструктуры AIGaAs/GaAs

структуры. Возникающее при этом излучение выводится через

широкозонный слой практически не поглощаясь.

Локализация излучающей области в горизонтальной плос-

кости осуществляется путем ограничения размера окна в слое

SiC>2, через которое создается контакт к нижнему р

-слою струк-

туры. 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 явля-

ется новым направлением в разработке полупроводниковых ис-

точников 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 пре-

имуществом светодиодов по отношению к лампам накаливания

является высокая долговечность светодиодов, измеряемая десят-

ками 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