Глава 14. Светоизлучающие и фотоэлектронные полупроводниковые приборы

14.1. Светоизлучающие полупроводниковые приборы

Приборы, в которых осуществляется преобразование электрической энергии в световую, относятся к излучающим. Рассмотрим основные типы излучающих твердотельных приборов.

14.1.1. Светодиоды

Светодиод является полупроводниковым излучающим прибором с одним или несколькими n-р переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения. Излучение

возникает в результате рекомбинации инжектированных носителей в одной из областей, прилегающих к n-р переходу. Рекомбинация происходит при переходе носителей с верхних уровней на нижние. Последние могут быть прямыми (без изменения импульса) и непрямыми (с изменением импульса). Межзонные переходы дают эффективное излучение, если переходы прямые.

При непрямых переходах излучательная рекомбинация может эффективно осуществляться через примесные центры в два этапа: сначала локализация носителя на примесном центре, а затем его рекомбинация со свободным носителем другого знака.

а) б)

Рис. 14.1. Структура (а) и конструкция (б) светодиода на основе n-p

перехода

Длина волны излучаемого света зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника, поэтому для получения излучения в видимой области используются широкозонные полупроводники: арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния, многокомпонентные полупроводниковые соединения (GaAlAs) и др.

233

Основными параметрами светодиодов являются:

∙внутренняя квантовая эффективность (отношение числа фотонов к количеству инжектированных в базу носителей);

∙внешняя квантовая эффективность (отношение потока фотонов из светодиода к потоку носителей заряда в нем). Внешняя

эффективность в значительной мере определяется технологией и с ростом ее уровня может быть значительно увеличена.

Мощность оптического излучения светодиода может быть найдена из выражения:

где Р – излучаемая мощность, I/e – поток инжектированных носителей через переход, ηe – КПД вывода излучения, ηs – КПД светового излучения. Произведение ηeηs представляет собой внешнюю квантовую эффективность. Для светодиодов с поверхностными излучателями она составляет около 3%, а для приборов с торцевыми излучателями 0,5 – 1%. Некоторые данные по

внешней эффективности светодиодов на различных материалах сведены в таблице 14.1.

Таблица 14.1

Материалы и параметры светодиодов

Наибольшие сложности возникают при получении коротковолнового излучения из-за технологических проблем создания n-р переходов в соответствующих полупроводниках. Одним из способов получения

коротковолнового излучения может быть включение диода Шотки в обратном направлении. В начальном участке лавинного пробоя происходит ударная ионизация с образованием электронов и дырок, рекомбинация

234

которых может давать излучение в синей области спектра. Создание

эффективного светодиода для синей области позволяет получать любые цвета излучения путем нанесения на поверхность соответствующих люминофоров. Коротковолновое излучение может быть получено и при использовании антистоксовых люминофоров, хотя КПД преобразования длинноволнового излучения в коротковолновое мал (порядка 1%), а прибор имеет низкое быстродействие.

В сине-зеленой области спектра могут работать и излучатели на основе карбида кремния. Они отличаются сравнительно низкой эффективностью и сложной технологией производства, но высокая температурная и

радиационная стабильность параметров этих приборов делает их весьма перспективными.

Широкое применение для создания светодиодов находят гетеропереходы на основе нитридов элементов третьей группы (GaN, AlN, InN) и тройных соединений на их основе, которые являются широкозонными полупроводниками с прямыми оптическими переходами. Нитрид галлия и

тройные соединения на его основе являются наиболее перспективными материалами для изготовления голубых светодиодов и светодиодов ультрафиолетовой области света.

Примером такого прибора является светодиод на основе гетероструктуры InGaN/GaN с эмиссией излучения в планарном направлении. Особенностью таких светодиодов является высокая интенсивность люминесценции, достигающая (2–3) кд и высоким значением квантового выхода η = 5,4 %. Внутренний слой InGaN имеет меньшую ширину запрещенной зоны, чем наружный слой GaN, поэтому верхний

электрод является прозрачным для оптического излучения видимого диапазона. На рис. 14.2 показана типичная структура светодиода с планарной генерацией излучения на основе GaN.

Весьма важным является вопрос создания излучателей для области 1,1 – 1,3 мкм. Дело в том, что именно при длине волны 1,3 мкм имеют место минимальные потери в кварцевых и стеклянных световодах, широко используемых в современной оптоэлектронике. Наиболее распространенный в настоящее время инфракрасный источник – это светодиод на основе GaAs (λ = 0,9 мкм). Для изготовления инфракрасных светодиодов используются многие другие полупроводники, имеющие запрещенную зону шириной менее 1,5 эВ. К ним относятся твердые растворы, в состав которых входят три или четыре элемента III и V групп периодической системы. Среди них твердый раствор переменного состава GaInAsP (λ = 1,0–1,3 мкм), наиболее популярный Ga0,28In0,72As0,6P0,4 (λ = 1,26 мкм).

235

Спектральные характеристики (рис. 14.3, б) имеют максимум,

положение и ширина которого зависят от состава и энергетической структуры материала.

Основными параметрами светоизлучающих диодов являются длина волны, полуширина спектра излучения, мощность излучения, рабочая частота и диаграмма направленности излучения.

Ширина спектральной полосы излучения светодиода может быть

Светодиоды находят широкое применение в цифровых индикаторах, световых табло, устройствах оптоэлектроники. Принципиально возможно формирование на их основе экрана цветного телевидения. Необходимо отметить, что на основе светодиодов белого свечения уже разработаны лампы для замены ламп накаливания в автомобилях.

Впоследние годы разработаны светодиоды белого цвета свечения, в которых для получения белового цвета используется слой люминофора, нанесенного на поверхность кристалла. Белое свечение также может быть получено смешением желтого и синего излучения, испускаемого подложкой

иактивным слоем полупроводника. Одним из примеров такого прибора является светодиод на основе селенида цинка. В этом случае не требуется люминофора для преобразования синего излучения.

14.1.2.Полупроводниковые лазеры на n-р переходе

Воснове работы лазеров на n-р переходе, так же как и в светодиодах, лежит излучательная рекомбинация инжектированных n-р переходом носителей заряда. Но для генерации лазерного излучения необходимо создать инверсную заселенность энергетических уровней, то есть ситуацию,

при которой концентрация носителей на верхнем энергетическом уровне перехода больше, чем на нижнем. Для того чтобы инжекция электронов в p- область превышала инжекцию дырок в n-область (где рекомбинация безызлучательная, а, следовательно, ток дырок в n-область целиком относится к потерям), необходимо, чтобы концентрация донорной примеси в n-области была выше концентрации акцепторной примеси в p-области. Для этого необходима высокая степень легирования примесями обоих областей n- р перехода, при которой полупроводники вырождены и уровень Ферми оказывается в разрешенных зонах. Схема лазера на n-р переходе (а) и спектр его излучения (б) показаны на рис. 14.4.

Конструкция лазерного диода показана на рис.14.5. Зеркалами являются гладкие грани самого полупроводникового кристалла, получаемые обычно скалыванием его краев. Вынужденное излучение происходит параллельно n-р переходу. Типичными размерами лазерного кристалла являются (в мкм): длина 100 – 500, ширина 200 – 400, высота 80 – 100, толщина области рекомбинации 1 – 3.

237