Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003), страница 4

При увеличении напряжения относительный вклад излучательной рекомбинации в ОПЗ уменьшается. При этом может измениться и спектральный состав излучения (обычно увеличивается доля коротковолнового излучения).Инжекционные излучающие диоды на основе гетероструктур создаются последовательным эпитаксиальным наращиванием 2-х и более слоев полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Необходимыми требованиям приэтом являются близость кристаллической структуры, постоянных решетки,температурных коэффициентов линейного расширения и т.п.

Соединения А3В5удовлетворяют большинству требований, поэтому на их основе изготавливаются излучающие гетероструктуры. Соотношение между токами инжекции электронов и дырок определяется различием в ширине запрещенной зоны полупроводников в гетероструктуре: Jn/Jp ~ exp (Eg1- Eg2)/kT.В гетеропереходах инжекция носителей происходит практически всегда в узкозонный полупроводник, где и происходит излучательная рекомбинация.В гетероструктурах может происходить явление суперинжекции, когда припрохождении прямого тока через р-n переход концентрации неосновных носителей заряда превышает концентрацию основных носителей в данной области,что позволяет получить потоки излучения высокой интенсивности.К иным типам инжекционных излучающих диодов относятся поверхностнобарьерные структуры на основе контактов металл-полупроводник.

В них излучение может генерироваться при прямом смещении выпрямляющего контакта иинжекции неосновных носителей заряда в полупроводник с последующей излучательной рекомбинацией (эффект Лосева).16В МДП-диодных излучающих приборах используется инжекция неосновныхносителей заряда через туннельно-тонкий диэлектрик с последующей излучательной рекомбинацией.Помимо инжекционных излучающих диодов возможно использование длягенерации излучения предпробойной электролюминесценции при обратномсмещении диода. В достаточно сильном электрическом поле обратно смещенного p-n перехода происходит ускорение, ударная ионизация и размножениеносителей, возбуждающих центры свечения в полупроводнике.Такие излучающие диоды могут быть созданы на основе полупроводниковыхсоединений А2В6, где эффективность инжекционной электролюминесценцииневысока.Материалы СИДНаиболее распространенными материалами являются соединения А3В5 и ихтвердые растворы.GaAs - прямозонный полупроводник, на котором впервые наблюдалась инжекционная электролюминесценция в р-n переходе (Еg = 1,43 эВ, λ = 0,86 мкм).Большинство GaAs-излучателей изначально деградировали, поэтому они не получили заметного промышленного распространения, за исключением р-nпереходов, легированных кремнием.

При эпитаксии при высоких температурахSi внедряется в вакансии галлия и является донором, при более низкихтемпературах Si внедряется в вакансии мышьяка и является акцептором.Активная область р-n перехода составляет 20-40 мкм, генерируемое излучениеимеет длину волны λ =0.95 мкм, сдвинуто вправо от красной границыпоглощения арсенида галлия, поэтому излучение проходит через толщу GaAsбез потерь.

Быстродействие таких светодиодов относительно мало ~ 1 мкс. Восновном GaAs используется в качестве подложек при выращиваниигетероэпитаксиальных структур А3В5 и их твердых растворов.Для GaP ширина запрещенной зоны составляет Еп = 2,26 эВ. Фосфид галлия непрямозонный полупроводник, но имеет высокую эффективность излучательной рекомбинации через изоэлектронные ловушки и прозрачен для генерируемого излучения. Для этого материала характерна высокая химическая стабильность, технологичность получения и обработки. На основе GaP изготавливаютсветодиоды зеленого, желтого, оранжевого и красного цветов свечения при легировании фосфида галлия (Zn – зеленый, Zn,O – красный, N – зеленый, желтый и оранжевый цвет свечения получают при совместном легировании – N,Zn, O). Для фосфид галлиевых светодиодов наблюдается насыщение мощностиизлучения при росте тока до 1-10 А/см2.GaAs1-xPx использовался ранее как основной светодиодный материал.

Изменение состава позволяет получать свечение от зеленого до красного цветов. Оптимальный состав (х ≤ 0.4) используется для генерации излучения с длинойволны λ ≈ 660 нм). Данный материал является прямозонным полупроводником.Для светодиодов на его основе характерна высокая яркость свечения, ненасы-17щенность люксамперной характеристики. В то же время он непрозрачен длясобственного излучения.Ga1-xAlxAs. Важнейший материал для ИК-излучателей. Достоинством его является возможность получения высококачественных гетероструктур из-за малого рассогласования постоянных решетки (∆а/а < 0.1%).

Изменяя состав твердого раствора можно получить полупроводники с шириной запрещенной зоныEg = 1.4 - 1.85 эВ, соответственно, длина волны излучения - λизл ≈ 0.82 -0.87 мкм.Светодиоды на основе Ga1-xAlxAs имеют высокий внутренний квантовый выход. Малая толщина активной области и время жизни обусловливают высокоебыстродействие. Основной недостаток заключается в том, что производятся этисветодиоды с помощью жидкофазной эпитаксии. Особенности технологии обуславливают получение структур ограниченной площади, сравнительно высокую стоимость, поэтому СИД красного цвета λ ≈ 700 нм с очень высокой яркостью ограниченно распространены.In1-xGaxAs1-yPy.

Еg = 1,1 – 0,7 эВ, λизл = 1,3 – 1,6 мкм. Используется для изготовления излучающих диодов для ВОЛС.InXGa1-XN. Ширина запрещенной зоны до Еg ≈ 3,5 эВ (GaN). Получают методом газофазной эпитаксии. Спектр излучения зависит от условий выращивания(состава твердого раствора), изготавливаются СИД различных цветов свечения:синий, зеленый, желтый, красный, УФ. Эти светодиоды имеют высокую эффективность.SiC. Еg ≈ 3 эВ. На основе карбида кремния возможно изготовление светодиодов желтого, зеленого и голубого цветов свечения с помощью диффузии, эпитаксии, ионной имплантации. Технологические трудности получения SiC обуславливаются его высокой температурой плавления, поэтому температуры выращивания и диффузии относительно велики – 2000 - 2500°С.Разновидности инжекционных излучающих диодовПростейшая p-n-структура в гомогенном полупроводнике характерна длянаиболее распространенных GaP и GaAsP-светодиодов.

Структура с достаточноширокой промежуточной областью, близкой по свойствам к собственному (i)полупроводнику, реализуется в GaAs(Si)-излучателях, а также в GaP- и GaAsприборах с полуизолирующими областями, создаваемыми главным образомдиффузией хрома.

Эти структуры используются в диодах с перестраиваемымцветом свечения и в других функционально интегрированных излучающихприборах.Рис. 4. Энергетические диаграммы излучающих p-n структур.18В гетероструктурах введение дополнительного переходного слоя с плавноизменяющимся значением ширины запрещенной зоны обусловлено технологическими задачами: благодаря постепенному изменению состава меньше сказываются механические напряжения из-за несогласованности кристаллографических постоянных (рис. 5.).Рис. 5.

Энергетические диаграммы излучающих гетероструктур.На рис. 5. представлены односторонние и двусторонние гетероструктуры(ОДС и ДГС). Если в ДГС широкозонные «обкладки» активной области сделатьдостаточно толстыми (или хотя бы одну из них), то подложку можно удалить(стравить), и тогда лучи света, распространяющиеся вправо, не будут поглощены, а после отражения от нижней границы кристалла направятся к левой поверхности и при попадании в апертурный угол выйдут наружу. Процесс отражения от границ может повторяться многократно до тех пор, пока световой лучне придет под нужным углом к левой поверхности, при этом нежелательногопоглощения излучения в широкозонных областях не происходит. В таких многопроходных структурах с удаленной подложкой коэффициент вывода излучения может достигать десятков процентов.Введение второго активного слоя с шириной запрещенной зоны, меньшей,чем у основного, приводит к тому, что фотоны, распространяющиеся к подложке, поглощаются в этом слое, порождая свободные электроны, которые рекомбинируют, генерируя более длинноволновое излучение.

Такие структуры с переизлучением или фотоэлектролюминесцентные, так же как и многопроходныеструктуры, обладают повышенным внешним квантовым выходом. Излучатель сваризонной базой представляет собой разновидность фотоэлектролюминесцентной структуры: здесь переизлучение идет непрерывно во всей активнойобласти.Оптический выход излученияОптический выход излучения показывает, какая часть полного излучения,генерируемого в активной области излучающего диода, выходит во внешнююсреду.

Его величина определяется потерями, связанными с поглощением в полупроводнике и отражением от внешней границы.1. Потери на поглощение.Поглощение излучения в веществе описывается законом Бугера - Ламберта:Ф = ФОexp (-α*x), где ФО - генерируемый световой поток, Ф - выходящий световой поток, α - коэффициент поглощения. В излучающих диодах толщина слояпоглощения х определяется толщинами p- и n-областей (d1 и d2).19Рис. 6.

Схема прохождения световых лучей в плоском светодиоде.Излучение распространяется в разные стороны от p-n перехода, поэтомуKпогл= (1 + RТК*exp (-2α2d2))*exp (-α1d1), где RТК - коэффициент отражения оттылового контакта.2. Потери на отражение от поверхности полупроводника.а. Френелевские потери. Нормально падающие лучи частично отражаются отграницы раздела полупроводник – внешняя среда. Коэффициент отражения отграницы полупроводник - воздух: ro = (no–1)2/(no+1)2 где no - коэффициент преломления полупроводника. Для соединений А3В5 nо= 3,3-3,8. Для GaAs no = 3,3и ro = 0,285, доля выходящего излучения: 1 - ro = 4no/(no+1)2 = 0,715.