Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

442 Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

возбуждает люминофор (фосфор) или их смесь, дающую (ино-

гда в комбинации с возбуждающим излучением) белое свече-

ние [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 жел-

тым свечением (УзА1

2(Се

)). Комбинация желтого и синего

дает белый свет. Белые светодиоды с такой конструкцией бы-

ли впервые созданы в начале 90-х годов сотрудниками фирмы

Nichia. В настоящее время светоотдача таких белых светодиодов

достигла 138 лм/Вт [309]

), то есть уже превысила светоотда-

чу ламп накаливания (15-20 лм/Вт) и люминесцентных ламп

(70-100 лм/Вт)

Во второй конструкции синий светодиод возбуждает смесь

люминофоров с красным (Sr$2(Eu

), Y202S(Eu

)) и зеленым

(SrGa

(Eu

), ZnS(Cu,AI)) свечением. Наконец, существует

третья конструкция, в которой смесь синего, зеленого и красно-

го люминофоров возбуждается ультрафиолетовым светодиодом.

Светодиоды последних двух конструкций характеризуются бе-

лым свечением, более близким к естественному освещению, но

требуют тщательного выбора люминофоров, спектры возбужде-

ния люминесценции которых были бы согласованы со спектром

возбуждающего излучения. Сотрудники фирмы Sandia в каче-

стве люминофоров для белых светодиодов успешно используют

квантовые точки на основе CdS, спектрами возбуждения и лю-

минесценции которых можно управлять, изменяя размер точек.

К сожалению, по состоянию на 2006 г. стоимость получе-

ния единицы светового потока с помощью белых светодиодов

составляла около 0,05 долл./лм, что примерно на два поряд-

ка выше, чем для ламп накаливания и люминесцентных ламп

(5 • 10"

долл/лм)

). Высокая стоимость полупроводниковых

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

барьера в 150 лм/Вт в светоотдаче белых светодиодов.

) При описании характеристик светодиодов видимого диапазона обычно

пользуются не энергетическими, а фотометрическими единицами, которые

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 см

абсолютно чер-

ным телом, температура которого равна температуре затвердевания платины

(2042 К). Световой поток, излучаемый таким источником в телесный угол

1 стерадиан, равен I люмену (лм).

) Для сравнения укажем, что стандартная 60-ваттная лампа накаливания

производит световой поток около 850 лм.

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры

443

источников света частично компенсируется их более высокой

долговечностью. Поэтому применение светодиодов для целей

освещения пока ограничивается небольшими объектами (свето-

форы, 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 отно-

шению к люминесцентным лампам.

Светодиоды на основе органических полупроводников.

Конкурентами источников белого света и светодиодов на основе

полупроводников A

и A

являются источники на основе

органических полупроводников. То, что многие органические

вещества обладают весьма интенсивной экситонной люминесцен-

цией, было известно давно. Специалисты фирмы Eastman Kodak

обнаружили явление электролюминесценции в органических по-

лупроводниках еще в 70-х годах, однако чрезвычайно высокие

напряжения (>1000 В), которые требовались для ее возбужде-

ния, не позволяли практически использовать этот интересный

эффект.

Существенный прорыв в создании источников света на ос-

нове органических полупроводников был сделан Тангом и ван

Слайком [313], которые предложили использовать многослойную

структуру (по сути гетеропереход) для осуществления эффек-

тивной инжекции электронов и дырок в органический материал.

Это позволило им получить внешний квантовый выход 0,01 фо-

тон/электрон, яркость >1000 кд/м

и светоотдачу 1,5 лм/Вт

в зеленой области спектра при рабочих напряжениях менее 10 В.

К настоящему времени найдены целые классы органических ве-

ществ с красным, зеленым, синим (и белым при их сложении)

свечением, яркость люминесценции которых >1000 кд/м

, а дол-

говечность — 20-40 тысяч часов [314].

Основной трудностью в разработке светодиодов из органиче-

ских полупроводников является создание условий для эффектив-

ной инжекции электронов и дырок в структуру и их доставки

в область с высокой вероятностью излучательной рекомбинации.

Энергетическая диаграмма одной из современных конструкций

этих светодиодов показана на рис. 7.29 (указанные в ней значе-

ния энергий отсчитываются от уровня вакуума). Гетеропереход-

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 металлор-

ганические комплексы 1г(рру)з или 1г(рру)2(асас) с очень эф-

фективной фосфоресценцией. В этой области электрон и дырка

встречаются, образуют экситон, возбуждение которого передает-

ся металлорганическому комплексу. Для эффективной инжекции

дырок в широкозонный полупроводник контакт к HMTPD дол-

жен 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 Mg 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 приложен-

ных напряжениях) происходит путем туннелирования через ба-

рьер в сильном электрическом поле (по механизму Фаулера-

Нордгейма). Трудности инжекции и низкая подвижность носи-

телей (~10~

см

/В-с) определяют довольно высокое падение

напряжения в прямом направлении на светодиодах из органиче-

ских полупроводников.

LUMO

ITO

4,7 эВ

2,3 эВ

HMTPD

60 нм

2,7 эВ

5,6 эВ

3,0 эВ

TAZ

Ь(рру)

(асас)

25 нм

5,6 эВ

3,3 эВ

Alq

50 нм

3,7 эВ

MgAg

HOMO

6,0 эВ

6,6 эВ

Рис 7.29. Энергетическая диаграмма светодиода на основе органического по-

лупроводника [315]. HMTPD, A)q

. TAZ и Ir(ppy)

(acac) - аббревиатуры

довольно длинных названий органических соединений. Квадратными точками

показано энергетическое положение орбиталей HOMO и LUMO в красителе

1г(рру)

(асас)

') Аббревиатуры HOMO (highest occupied molecular orbital) и LUMO (low-

est unoccupied molecular orbital) обозначают самую верхнюю заполненную

и самую нижнюю незаполненную молекулярные орбитали.

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры

445

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 выхо-

де 87% [315]. Эти результаты близки к лучшим результатам,

полученным на светодиодах из полупроводников А

1П

В . Фирма

Eastman Kodak совместно с другими производителями бытовой

техники уже освоила промышленный выпуск небольших диспле-

ев на основе органических полупроводников для цифровых фото-

аппаратов 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 чер-

ного 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

TILS

Рис. 7,30. Три

уровнями: а -

типа оптических переходов между двумя энергетическими

поглощение, б — спонтанное излучение, в — вынужденное

излучение

фотон, возникающий при прохождении первого фотона через

вещество, обладает теми же частотой, фазой, поляризацией и на-

правлением распространения, что и первый фотон. В состоянии

термодинамического равновесия отношение темпа вынужденных

переходов к темпу спонтанных переходов равно

/ [ехр (Rw/feT)- 1],

то есть исчезающе мало [302]. Однако если в среде создать

высокую плотность электронного возбуждения, то ситуация мо-

жет существенно измениться. Так, если вероятность вынужден-

ного перехода окажется выше вероятности поглощения фотона,

446

Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

то в среде возникнет оптическое усиление и в ней можно осу-

ществить генерацию вынужденного излучения.

Впервые генерация вынужденного излучения была осуществ-

лена в микроволновой (СВЧ) области в 1954 г., а в видимой

области спектра — в 1960 году. Теоретические основы возмож-

ности возбуждения вынужденного излучения в полупроводниках

были заложены в 1959-1961 гг. [318]. Генерацию вынужденного

излучения в прямозонном полупроводнике GaAs впервые на-

блюдали в 1962 г. практически одновременно авторы работ

[319-321]. Источники вынужденного микроволнового излучения

получили название мазеров, а источники вынужденного излуче-

ния в видимой области и близких к ней инфракрасной и ультра-

фиолетовой областях спектра — лазеров 0.

Полупроводниковые лазеры находят применение в устройствах чте-

ния и записи компактных дисков (CD, DVD), 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

(лазерная хирургия, дерматология) [322]. Мощность излучения оди-

ночного лазера может достигать 5-10 Вт, а специально разработанных

лазерных модулей — 100 Вт в квазинепрерывном режиме при к.п.д.

45-65%. Долговечность современных лазеров измеряется миллионами

часов.

Найдем условия возникновения оптического усиления в пря-

мозонном полупроводнике. Рассмотрим оптические переходы

с энергией кванта hu> между состояниями зоны проводимости

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

norn

(hu) - В'

(E - hu)

(E)f

(E - Гш)[\ - f

(E)\dE,

(7.41)

а вероятность вынужденного излучения —

WWM = в'

(E - hu)

{E)f

(E)[\ - f

{E - bu)]dE.

(7.42)

) Термины maser и laser являются аббревиатурами английских выражений

microwave amplification by stimulated emission of radiation и light amplification

by stimulated emission of radiation.

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры

447

Разность этих двух интегралов, равная

W(hw) = В'

(E - tiw)p

{E)[f

(E) - f

(E - bu)]dE, (7.43)

и определяет, будет ли распространяющаяся в полупроводнике

волна усиливаться или ослабляться. Усиление возможно толь-

ко тогда, когда вероятность вынужденного испускания второго

фотона первичным фотоном превышает вероятность поглощения

первичного фотона. Если предположить, что распределение носи-

телей 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 выполне-

ние условия

F* - F; > (7.44)

при котором для любой пары энергетических уровней, разде-

ленных зазором АЕ = Ъш, выполняется соотношение /

> f

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 воз-

никновения в нем вынужденного излучения необходимо, чтобы

электроны и дырки были вырождены хотя бы в одной из зон.

8 "

а, 4 -

1252,7 нм

1253,6

О 20 40 60 80 100 120

/, 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, посколь-

ку возникающие спонтанным образом фотоны, усиленные в ак-

тивной области, затем уходят в пассивные области кристалла,

где происходит их поглощение. Для обеспечения когерентно-

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 пер-

вых 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 Фабри-

Перо. Когда оптическое усиление в активной области начинает

превышать потери на вывод излучения из резонатора, мощность

выходного излучения лазера резко (пороговым образом) воз-

растает, 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. Предпо-

лагая, что электронно-дырочные пары, создаваемые путем про-

пускания тока инжекции плотностью J, рекомбинируют с кван-

товым 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 п

— показатель преломления среды, а с — скорость света

в вакууме. В действительности коэффициент оптического усиле-

ния изменяется с током по закону

9 = 0l(J~JO), (7.46)

где Jq — плотность тока, необходимая для достижения инверс-

ной населенности. Пусть коэффициент отражения зеркал резо-

натора 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

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры

449

и рассеяния света на дефектах равен а. Тогда условием прохож-

дения волны через резонатор без затухания будет

Из уравнений (7.46) и (7.47) легко найти пороговую плотность

Из анализа этого уравнения и уравнения (7.45) следует, что для

уменьшения пороговой плотности тока надо увеличивать длину

резонатора L, уменьшать потери на поглощение а, уменьшать

толщину активной области d (сохраняя при этом высокое значе-

ние Г) и работать на переходах, имеющих наименьшую ширину

спектра излучения (Дг/).

Понятно, что для получения лазерной генерации необходим

очень высокий уровень возбуждения электронной системы. Его

можно создать с помощью оптической накачки, возбуждением

пучком быстрых электронов или других заряженных частиц,

ударной ионизацией, однако наиболее удобным и экономич-

ным способом возбуждения полупроводника является инжекция

неравновесных носителей с помощью р-п-перехода. В первых

инжекционных лазерах на основе р-п-переходов в GaAs для

достижения лазерной генерации при 300 К была необходима

плотность тока • 10

А/см

Инжекционные лазеры на гетероструктурах. Чтобы пони-

зить J

nop

, необходимо создать условия для наиболее благоприят-

ного взаимодействия возбужденной до состояния инверсной на-

селенности электронной подсистемы с оптической подсистемой.

Для этого, как следует из анализа формулы (7.48), надо ло-

кализовать электронное возбуждение в возможно более тонком

слое полупроводника, в котором квантовый выход люминесцен-

ции наиболее высок. Алфёров и Казаринов [325] и, независимо,

Крёмер [326] в 1963 г. предложили использовать для этой цели

гетеропереход, который, как мы видели в п. 1.6.1, позволяет

управлять направлением инжекции,

Лазеры с односторонней гетерострукгурой действительно

имели в несколько раз меньшую пороговую плотность тока по

сравнению с р-п-переходами кА/см

при 300 К [322, 327]).

Понижению

способствовал и дополнительный скачок по-

казателя преломления на гетерогранице (см. рис. 7.326), кото-

рый ограничивал проникновение световой волны в пассивную

15 А.И. Лебедев

тока:

(7.48)

и-GaAs j p-GaAs

Too

^commviv

1 MKM

n- I p- | p-

GaAs I GaAs I AlGaAs

Д.

~I мкм d~0,l мкм

I I P-

AlGaAs | GaAs| AlGaAs

H-«

I I

—^ I

1 мкм

Рис. 7.32. Энергетическая диаграмма, профиль показателя преломления и распределение световой мощности в полупроводни

ковых лазерах с р-п-переходом (а), односторонней гетероструктурой (б) и с двойной гетероструктурой

(в)

(57)

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры

451

область структуры и тем самым усиливал взаимодействие волн

с электронной подсистемой и уменьшал ее поглощение в пассив-

ной области. Еще более сильного снижения пороговой плотности

тока удалось добиться в двойных гетероструктурах. В этих струк-

турах (см. рис. 7.32 в) гетеропереходы одновременно локализуют

и электронное, и оптическое возбуждение в тонкой активной

области. При этом для достижения инверсной населенности не

требуется сильно легировать активный слой, так как эффек-

тивная рекомбинация в нем осуществляется за счет двойной

инжекции.

толщина d, мкм

Рис. 7.33. Зависимость пороговой плотности тока от толщины активной обла-

сти в двойной гетероструктуре AUGai-xAs/GaAs [52]

В соответствии с формулами (7.45) и (7.48), плотность тока,

необходимая для получения лазерной генерации, уменьшается

с уменьшением толщины активной области d; эксперимент (см.

рис. 7.33) подтверждает этот вывод. Успехи в технологии выра-

щивания структур с тонкими слоями позволили в 1970 г. осу-

ществить режим непрерывной генерации при 300 К на лазерах

с двойной гетероструктурой AlGaAs/GaAs/AIGaAs [328, 329].

Как следует из рис. 7.33, минимальная пороговая плотность то-

ка (~500 А/см^ для лазеров с активной областью из GaAs)

15*