Внешний квантовый выход и потери излучения.

Инжекционная электролюминесценция является физической основой работы светоизлучающих полупроводниковых диодов (СИД). Термином «светоизлучающие диоды» охватывают также излучающие диоды, работающие в инфракрасном диапазоне оптического излучения (ИК-диоды)

Светоизлучающий диод - основной и наиболее универсальный излучатель некогерентной оптоэлектроники. Это обусловливают следующие его достоинства: высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую; относительно узкий спектр излучения (квазимоно-хроматичность) для одного типа СИД, с одной стороны, и перекрытие почти всего оптического диапазона излучения СИД различных типов - с другой; высокая для некогерентного излучателя направленность излучения; малые значения прямого падения напряжения, что обеспечивает электрическую совместимость СИД с интегральными схемами; высокое быстродействие; малые габариты, технологическая совместимость с микроэлектронными устройствами; высокая надежность и долговечность.

Качество СИД характеризуется внешним квантовым выходом:

? = ? ?_э ?_опт

где ? - коэффициент инжекции; ?_э-внутренний квантовый выход; ?_опт - оптическая эффективность или коэффициент вывода света.

Произведение ??_э определяет, эффективность инжекционной электролюминесценции. Однако даже при большом значении ??_э внешний квантовый выход СИД может оказаться малым вследствие низкого вывода излучения из структуры СИД во внешнюю среду. При выводе излучения из активной (излучающей) области СИД имеют место потери энергии (рис. 1).

Потери на самопоглощение (лучи 1 на рис. 1). При поглощении полупроводником фотонов их энергия может быть передана электронам валентной зоны с переводом этих электронов в зону проводимости. Возможно поглощение энергии фотонов свободными электронами зоны проводимости или дырками валентной зоны. При этом энергия фотонов расходуется также на перевод носителей на более высокие для них энергетические уровни, но в пределах соответствующей разрешенной зоны. Возможно примесное поглощение фотонов, при котором их энергия идет на возбуждение примесных уровней. Кроме того, в полупроводниках может происходить поглощение фотонов кристаллической решеткой, поглощение с переходом электронов с акцепторного на донорный энергетический уровень и некоторые другие виды поглощения.

Рис. 1. Потери при выводе оптического излучения из активной области.

Потери на полное внутреннее отражение (лучи 2 на рис. 1). При падении излучения на границу раздела оптически более плотной' среды (полупроводник) с оптически менее плотной (воздух) для части излучения выполняется условие полного внутреннего отражения. Эта- часть излучения, отразившись внутрь кристалла, в конечном счете, теряется за счет самопоглощения.

Полное внутреннее отражение может сильно ограничивать внешний квантовый выход СИД. Этот эффект особенно ярко выражен в полупроводниках с прямыми переходами, где почти все излучение, претерпевшее полное внутреннее отражение, поглощается. В полупроводниках с непрямыми переходами внутреннее поглощение гораздо слабее и, следовательно, излучение имеет большую вероятность дойти до какой-либо поверхности кристалла диода. Потери при прохождении света внутри диодной структуры примерно пропорциональны V/S_x0, где x₀ - глубина поглощения, V - объем, S - площадь полной поверхности кристалла СИД.

Потери в полупроводниках обоих типов обусловлены высокими показателями преломления материалов, используемых для СИД (n?3.3-3.8), и возрастают при уменьшении ширины запрещенной зоны. Излучение, падающее на поверхность под углом 0, превышающий критический угол, претерпевает полное внутреннее отражение. Излучение, падающее под углом, меньшим критического, также частично отражается от непросветленной поверхности. Это френелевские потери. Если на поверхность полупроводника нанести диэлектрическую пленку с соответствующими значениями толщины и показателя преломления, то она будет оказывать просветляющее действие и коэффициент пропускания увеличится; критический угол при этом практически не изменяется.

1. Потери на обратное и торцевое излучение (лучи 3 и 4 на рис 1). Генерация в активной области полупроводника спонтанная и характеризуется тем, что лучи направлены равновероятно во все стороны. Лучи 3, распространяющиеся в сторону эмиттера, быстро поглощаются. Активная область нередко слегка отличается значением показателя преломления от соседних областей. Поэтому лучи 4 вследствие многократных отражений фокусируются вдоль активной области, так что интенсивность торцевогоIизлучения выше, чем в других направлениях выхода света из кристалла. Количественно эффективность вывода оптического излучения из СИД характеризуется коэффициентом вывода ?_опт и определяется отношением мощности излучения, выходящего из СИД, к мощности излучения, которая генерируется внутри кристалла:

?_опт = P_изл P_ген

Таким образом, внешний квантовый выход ?_опт - это интегральный показатель излучательной способности СИД, который учитывает эффективность инжекции ?, электролюминесценции ?_э и вывода излучения ?_опт в создании оптического излучения. Иначе, внешний квантовый выход ?. определяется отношением числа излучаемых квантов к числу проходящих за то же время через СИД носителей заряда:

? = N_ф N_э

СИД на основе гетероструктур. Наилучшие параметры излучения имеют СИД, изготовленные на основе гетероструктур (или гетеропереходов). Рассмотрим основные особенности гетероструктуры более подробно, так как она является базой для изготовления многих типов оптоэлектронных приборов.

Гетеропереходом называют переходный слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь одинаковый или различный тип электропроводности, и, соответственно, каждая пара полупроводников может образовать четыре гетероструктуры: p₁-n₂, n₁-n₂, n₁-p₂, p₁-p₂ Здесь индекс 1 относится к полупроводнику с широкой запрещенной зоной (широкозонный полупроводник), а индекс 2 - к полупроводнику с узкой зоной (узкозонный полупроводник).

При образовании гетероперехода происходит перераспределение носителей заряда, что приводит к появлению контактной разности потенциалов. Уровень Ферми для гетероструктуры в равновесном состоянии единый. На рис. 2 изображены энергетические диаграммы излучающей гетероструктуры GaAlAs-GaAs в состоянии равновесия. На металлургической границе перехода образуется разрыв (скачок) энергии Таким образом, гетероструктура имеет различные потенциальные барьеры для инжектируемых дырок и электронов.

Движение носителей в равновесном состоянии гетероструктуры определяется носителями заряда только одного типа (для гетероструктуры на рис. 2 -электронами). Поэтому при приложении прямого напряжения имеет место. односторонняя инжекция - только электронов из широкозонного слоя (эмиттера) в узкозонный слой (базу). Такая структура, содержащая широкозонный эмиттер и узкозонную базу, называется одинарной гетероструктурой. Наряду с одинарной в СИД используется двойная гетероструктура, в которой имеется дополнительно запирающий широкозонный Р₃-слой того же, что и база, типа проводимости (рис. 3). В двойной гетероструктуре второй потенциальный барьер препятствует выходу электронов из базовой области (зона базы образует потенциальную «яму», в которой скапливаются инжектированные электроны). Избыточная, концентрация носителей в активной, (излучающей) области и односторонняя инжекция резко повышают внутренний квантовый выход гетероструктуры, а также ее быстродействие.

В самом деле, использование двойной гетероструктуры обеспечивает локализацию инжектированных носителей зарядов в базе при уменьшении ее ширины вплоть до нескольких микрометров. Это и позволяет при сохранении внутреннего квантового выхода значительно повысить быстродействие двойных гетероструктур. В одинарной гетероструктуре при уменьшении ширины базы мощность излучения резко падает, а быстродействие растет незначительно. Для лучших образцов на одинарной гетероструктуре внешний квантовый выход 3-4% а время переключения 40-80 не; двойные гетероструктуры имеют примерно такое же значение внешнего квантового выхода, а время переключения 20-30 нс. Важно подчеркнуть, что односторонняя инжекция не связана со степенью легирования эмиттерной и базовой областей, как это имеет место в обычном (гомогенном) переходе. В результате она сохраняется до значительных плотностей тока и появляется возможность изменения степени легирования областей гетероструктуры без ухудшения инжекции р-n переходов.

Рис 4. Спектральные характеристики базы и эмиттера гетероструктуры

Другой отличительной особенностью гетероструктур является разница в оптических свойствах базы и эмиттера. В результате спектральная характеристика излучения узкозонной базы оказывается сдвинутой в область 8

длинных волн по отношению к спектральной характеристике поглощения широкозонного эмиттера (рис. 4). Поэтому излучение выводится из СИД через эмиттер практически без поглощения.

В излучателях с двойной гетероструктурой и удаленной подложкой сказывается явление многократного отражения («многопроходный эффект»). Лучи, претерпевающие на внешней границе кристалла гетероструктуры полное внутреннее отражение, многократно отразившись, от различных граней кристалла, в конце концов, падают на внешнюю границу под таким углом, который дает возможность им выйти наружу. Очевидно, что многопроходный эффект является полезным только в том случае, если поглощение излучения в полупроводнике мало. Поглощение в узкозонной базе удается несколько компенсировать с помощью фотолюминесценции: поглощение кванта излучения ведет к новому акту излучения.

Все преимущества гетероструктур достижимы только при высоком качестве гетероперехода. Для получения качественного гетероперехода необходимо иметь хорошее совпадение параметров структуры по обе стороны от металлургической границы: различие постоянных кристаллических решеток не должно превышать 0,01%, близкими должны быть и температурные коэффициенты расширения. В тех случаях, когда эти требования не выполняются, высокая концентрация дефектов в области гетероперехода практически сводит к нулю все его преимущества.

Излучательная характеристика

В зависимости от способа приема излучения СИД -- визуального или невизуального -- оптические свойства СИД описываются световыми или энергетическими параметрами. При визуальной передаче информации от СИД в случае их применения в знаковых индикаторах, при подсветке надписей и пусковых кнопок, для индикации состояния электронного в устройства и т.п. приемником излучения служит человеческий глаз. Невизуальная передача информации характеризуется тем, что обнаружение потока излучения от СИД, работающего обычно в ИК-диапазоне (ИК-диод), исключает человеческое зрение и осуществляется физическим фотоприемником. К невизуальной области применения СИД относятся, например, устройства считывания с перфокарт и перфолент вычислительных машин, всевозможные оптические устройства связи и сигнализации.

Эффективность СИД характеризуют зависимостями параметров оптического излучения от прямого тока через СИД и от длины волны излучения. Зависимость потока излучения Ф_е от прямого тока I_пр приводится для ИК-диодов и называется излучательной характеристикой (рис. 5). Для СИД визуального применения излучательная характеристика задается обычно зависимостью силы света I_? от прямого тока I_пр. В качестве параметра электрического режима выбран прямой ток через СИД, а не напряжение на СИД. Это связано с тем, что р-n переход СИД включен в прямом направлении и электрическое сопротивление СИД мало. Поэтому можно считать, что, прямой ток через СИД задается внешней цепью, изменяется в широком диапазоне и легко измеряется.

При малых токах I_пр велика доля рекомбинационной составляющей тока и коэффициент инжекции в соответствии с выражением мал. С ростом прямого тока поток излучения сначала быстро увеличивается до тех пор, пока в токе диода не становится преобладающей диффузионная составляющая тока.

8

Рис. 5. Излучательная характеристика СИД:

1 -- участок характеристики при малых токах;

2 -- участок характеристики при больших токах.

Дальнейшее увеличение I_пр приводит к постепенному насыщению центров люминесценции, и снижению излучательной способности СИД. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. Совместное действие рассмотренных механизмов влияния прямого тока на силу излучения приводит к тому, что излучательная характеристика имеет максимум при некотором определенном токе. Максимальная сила излучения зависит от площади и геометрии излучающего р-n перехода и от размеров электрических контактов.

Спектральная характеристика

Зависимость параметров излучения от длины волны оптического излучения (или от энергии излучаемых фотонов) называется спектральной характеристикой СИД. Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. Длина волны ?_max излучения светодиода определяется по формуле:

где h - постоянная Планка, с - скорость света, E - ширина запрещенной зоны; коэффициент 1,23 верен, если ?_max измеряется в мкм, а Е - в Эв.

В связи с разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения различна в разных типах СИД. Примеры спектральных характеристик СИД на основе GaP и SiC с различными примесями приведены на рис. 6. Так как переход электронов при рекомбинации носителей заряда обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами энергетических уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон СИД характеризуют шириной спектра излучения ??_0,5, из меряемой на высоте 0,5 максимума характеристики.

Рис. 6. Спектральные характеристики СИД.

Излучение большинства СИД близко к квазимонохроматическому (??/?_max<<1) и имеет относительно высокую направленность распределения мощности в пространстве.

Независимо от того, насколько эффективен СИД, выходное излучение даже большой мощности не будет зарегистрировано, если длина волны излучения не , соответствует спектру излучения, на который реагирует фотоприемник. В огромном большинстве случаев применения СИД должен быть спектрально согласован либо с человеческим глазом, либо с кремниевым фотоприемником. Диапазон спектральной чувствительности фотоприемника составляет примерно 300--1100 нм. Человеческий глаз обладает существенно более узким диапазоном чувствительности с практически полезной областью 400--700 нм. Для эффективной работы пары излучатель -- приемник необходимо тщательное согласование спектральных характеристик этих приборов.

Например, при согласовании с человеческим глазом СИД на основе GaAsP согласование обеспечивается выбором такой длины волны, на которой произведение относительной световой эффективности глаза V(?)и квантового выхода СИД ?(?) является максимальным, т.е.

V(?) ?(?) =max

Этот максимум достигается при ?=655 нм (рис. 6) -- красный цвет излучения.

У СИД, имеющих более короткие длины волн излучения (например, с ?_max=565 нм -- зеленый цвет. и ?_max=585 нм -- желтый цвет), значение ? обычно существенно ниже, чем у СИД красного цвета. Однако относительная чувствительность глаза при такой длине волны значительно больше.

В результате удается получить набор излучателей от красного до зеленого цвета свечения, которые имеют одно и то же значение произведения V(?) ? (с точностью до порядка величины).

Следует подчеркнуть особенности спектрального согласования СИД с фотодиодом. С одной стороны, такое согласование по сравнению с согласованием с человеческим глазом облегчается, так как спектральный диапазон фотодиода значительно шире. С другой стороны, спектральное согласование не всегда является решающим фактором эффективной работы пары СИД -- фотоприемник.

Оптические параметры

Светоизлучающие диоды имеют широкое применение. Они используются в качестве излучателей в различных схемах индикации, отображения информации, в волоконно-оптических линиях связи и во многих других технических устройствах. При этом СИД выступает как отдельный самостоятельный элемент устройства - как дискретный оптоэлектронный прибор - или может входить в состав другого оптоэлектронного прибора или оптоэлектронной микросхемы - оптрона. В этом случае излучающая структура должна обеспечивать одновременно высокую мощность излучения, возможно более узкую диаграмму направленности и высокое быстро-действие. Только при таком сочетании параметров излучатель хорошо согласуется с фотоприемником оптрона и характеристики оптрона оптимальны. Для обычных СИД, не входящих в состав оптрона, требования к направленности излучения обычно существенно ниже. Кроме того, СИД визуального применения могут иметь низкое быстродействие, т. е. низкую скорость преобразования электрической энергии в световую.