Функциональная электроника

В качестве некогерентных излучателей можно использовать сверх миниатюрные накальные и газоразрядные лампочки, порошковые, пленочные люминофоры, светоизлучающие диоды и т.д. Однако требованиям предъявляемым к оптоэлектронному прибору, удовлетворяют лишь светоизлучающие диоды, характеризующиеся высокой эффективностью прямого преобразования электрической энергии в световую, надежностью и большим сроком службы, устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям, высоким быстродействием.

Целесообразно разделить светодиоды на две группы: 1) светодиоды, излучающие в видимом диапазоне спектра и используемые, главным образом, для отображения информации; 2) ИК светодиоды, применяемые в оптронах и волоконно-оптических линиях связи.

Хотя изготавливают светодиоды обеих групп из различных полупроводниковых материалов, принцип действия их одинаков и основан на явлении спонтанной инжекционной электролюминисценции - инжекции неосновных носителей в активную область прямосмещенного p-n-, гомо - или гетероперехода с последующей излучательной рекомбинацией в этой области.

Специфика процессов инжекции в светодиодах заключается в том, что одна из областей p-n-перехода должна быть оптически активна, т.е. должна обладать высоким внутренним квантовым выходом излучения.

Как известно, полное число излучательных переходов в единице объема при межзонной рекомбинации равно произведению , где В - коэффициент рекомбинации; np - неравновесная концентрация электронов в активной p-области; pp0 - равновесная концентрация дырок в этой области.

Очевидно, что p-n-переход с высоким внутренним квантовым выходом звн, равным отношению числа генерируемых в базе фотонов к числу инжектированных в нее неосновных носителей, должен быть изготовлен из прямозонного полупроводника, для которого В10-10 см3/с (для непрямозонных полупроводников В?10-14 см3/с). В отношении уровня легирования p - и n-областей возникают противоречивые требования: с одной стороны, для увеличения np необходимо, чтобы коэффициент инжекции гп>1, а это связано с понижением уровня легирования базы Na; с другой стороны, для увеличения pp0 этот уровень следует повышать. Как правило, выбирают компромиссный вариант: оптимальный уровень легирования активной области составляет 1017 - 1018 см-3 для доноров и 3.1018 - 3.1019 см-3 для акцепторов.

Кардинальное решение данной проблемы дает использование гетеропереходов. В этом случае благодаря эффекту суперинжекции можно получить заданное np при не очень сильно легированном эмиттере. Односторонняя инжекция (гп>1) обеспечивается за счет разницы в ширине запрещенных зон используемых полупроводников: .

Межзонные излучательные переходы конкурируют с безызлучательными и излучательными переходами, связанными с рекомбинацией через промежуточные состояния (дефекты структуры, посторонние примеси и включения, глубокие примесные центры, поверхностные состояния и т.д.). Все эти конкурирующие переходы, которые можно охарактеризовать некоторым эффективным временем жизни фбезизл, снижают величину звн, поскольку сопровождаются исчезновением инжектированных в базу носителей для генерирования фотона соответствующей энергии.

Снижение доли безызлучательной рекомбинации (увеличение фбезызл) - одна из важнейших задач технологии светодиодов, направленная на повышение звн. Для подавления безызлучательных переходов принимают разнообразные меры: 1) оптимизируют излучательные структуры с целью снижения концентрации дефектов на границах слоев, исключения безызлучательной рекомбинации на поверхности и т.д.; 2) используют качественные эпитаксиальные слои, полученные методами жидкостной, газовой или молекулярно-лучевой эпитаксии. Из-за низкой температуры и невысокой скорости роста таких слоев резко снижается плотность дислокаций и других дефектов структуры, концентрация посторонних примесей. Например, в слоях Ga1-xAlxAs при x‹0.3, полученных методом жидкостной эпитаксии, вероятность безызлучательной рекомбинации сведена практически к нулю (фбезызл>?), и, следовательно, звн приближается к 100%.

Важной задачей является также снижение доли поглощаемого внутри кристалла излучения. Существует три метода борьбы с этим явлением.

Уменьшение энергии фотонов за счет компенсации примесей в активной области. По такому принципу созданы эпитаксиальные p-n-структуры в GaAs, легированным кремнием, в которых генерируются фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны (hvизл‹Eg). При этом коэффициент поглощения не превышает 100 см-1. В GaAs: Si-структурах звн составляет 40 - 70%. Основным недостатком таких структур является невысокое быстродействие.

Использование непрямозонных полупроводников в частности GaP. Известно, вероятность межзонной рекомбинации в GaP невелика (В5.10-14 см3/с), однако при наличии подходящего промежуточного примесного центра она резко возрастает. К сожалению, выбор таких центров ограничен. Так, для GaP ими могут служить азот и комплексы Zn-O. Эти центры создают глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне, поэтому потери на межзонное поглощение отсутствуют ().

Использование эффекта «широкозонного окна» в гетероструктурах. Следует отметить, что применение гетероструктур в светодиодах выгодно и по другим причинам. Благодаря эффектам «электронного» ограничения и суперинжекции можно резко повысить концентрацию неосновных носителей в активной области и достигнуть высокого внутреннего квантового выхода при малых прямых токах. В таких случаях рекомбинация носителей происходит в ограниченной по размерам области, в которой концентрация неравновесных носителей повышается в раз по сравнению с гомопереходом при этом же уровне возбеждения (L - диффузионная длина неосновных носителей, d - толщина базы).

Естественно, большое значение звн не гарантирует высокой эффективности светодиода как оптоэлектронного прибора, поэтому при его эксплуатации более важным является такой параметр, как внешний квантовый выход звнш (или КПД преобразования электрической энергии в световую), определяемый отношением числа фотонов, выведенных за пределы кристалла, к числу носителей заряда, проходящих через p-n-переход.

Как правило, величина звн не превышает нескольких процентов, так как за пределы кристалла можно вынести лишь небольшую часть генерируемого внутри активной области излучения. Наиболее существенны следующие виды потерь: 1) на полное внутреннее отражение излучения, падающего на границу раздела полупроводник - окружающая среда под углом, большим критического; 2) на френелевское отражение для излучения, падающего на границу раздела под углом, меньшим критического; 3) на поглощение излучения в объеме полупроводника и в приконтактных областях.

Наиболее значителен первый вид потерь. Дело в том, что доля выходящего за пределы кристалла излучателя определяется значением критического угла цкр между направлением светового луча и нормалью к поверхности раздела: . В связи с большим различием показателей преломления используемых полупроводников nп и окружающей среды nокр значения цкр невелики. Например, для GaAs и GaP с показателями преломления 3.54 и 3.3. значения критического угла при выводе излучения в воздух соответственно равны 16 и 17.70. это означает, что наружу выйдут световые лучи, распространяющиеся в заштрихованном конусе с углом при вершине 2цкр (рис.2.1). В пределах этого конуса потери на френелевское отражение определяются выражением вида и составляют для границ раздела GaAs - воздух и GaP - воздух соответственно 31 и 29%.

Рис.2.1

Дальнейшая судьба отраженного от границы раздела излучения зависит от коэффициента поглощения в объеме полупроводника. Если этот коэффициент достаточно велик, то все излучение поглотится внутри кристалла. Если же кристалл прозрачен для генерируемого излучения, то оно, отражаясь от его граней, может повторно (и не один раз) падать на поверхность раздела и частично выводиться за пределы кристалла.

Ясно, что сверхизлучающие структуры с плоской геометрией не могут обладать высоким значением звнш даже при звн 100%. Поэтому в современных светодиодах используют кристаллы в виде полусферы параболоида или усеченной сферы Вейерштрасса. При этом наблюдается увеличение доли выводимого излучения до 30 - 35%.

Другие методы повышения звн связаны с помещением кристалла в среду с промежуточным показателем преломления (), когда критический угол возрастает до 25 - 300, а для выводимого излучения увеличивается в 2.5. - 3 раза; нанесением «просветляющих» покрытий на поверхность кристалла для сокращения френелевских потерь (применение диэлектрических пленок SiO, SiO2, Si3N4 позволяет увеличить выход излучения на 25 - 30%); уменьшением площади контактов; выводом излучения вдоль p-n-переходов с использованием эффекта «оптического» ограничения в двойных гетероструктурах и др.

2.2. Конструкции светодиодов