Источники излучения. Светодиодные структуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 3. Источники излучения. Ч.2

Гетероструктуры. Состав. Материалы. Технология светодиодных структур. Конструкции светодиодов. Характеристики. Параметры Деградация.

3.1 Гетероструктуры. Состав. Материалы

светодиод структура конструкция деградация

Перспективными для светодиодов являются гетероструктуры, возникающие при контакте двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.

Энергетические диаграммы гетероструктур (рис.1.10) характеризуются различными величинами потенциального барьера для встречных потоков дырок и электронов, что приводит к односторонней инжекции носителей из широкозонного эмиттера в узкозонную базу. Концентрация инжектированных в базу носителей может на несколько порядков превышать равновесное значение в эмиттерной области.

В гетероструктурах оптические свойства эмиттера и базы различны, так как E_g1?E_g2, а n=f(E_g). Особенно важно, что широкозонный эмиттер слабо поглощает длинноволновое излучение, генерируемое узкозонной базой, и световая волна концентрируется в оптически более плотной области.

Перечисленные свойства позволяют создать высокоэффективные быстродействующие излучатели. Однако для их реализации необходимо, чтобы постоянные кристаллических решеток контактируемых полупроводников были практически одинаковыми (различие более чем на 0,5...1 % недопустимо). Это условие выполняется для пары GaAs--AlAs (?a~0.1%). В случае использования других тройных соединений сужают диапазоны возможных различий между E_g1 и E_g2 . Кардинальным выходам из этого положения является использование четырехкомпонентных твердых растворов соединений А¹¹¹ В^1V, обеспечивающих получение материалов при практически полном совпадении параметров решеток подложки и эпитаксиального слоя.

3.2 Технология светодиодных структур

Для изготовления GaAsP и GaP светодиодов успешно применяется эпитаксия из газовой фазы (ГФЭ). Более универсальной, хотя и более трудоемкой является жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), позволяющая формировать структуры очень многих соединений типа А¹¹¹В^V.

Применимость газофазного (ГФЭ) и жидкофазного (ЖФЭ) методов для получения эпитаксиальиых структур различных соединений приведена в табл.1.2. Диффузия акцепторных и донорных примесей из газовой фазы обычно проводится в отпаянных кварцевых ампулах.

Примечание. В качестве подложек используются GaAs, GaP, InP, InAs

Эпитаксиальные структуры GaP_xAs_1-x обычно состоят из подложки, переходного слоя толщиной 20...40 мкм с изменяющимся значением X для согласования параметров решеток бинарных компонентов твердого раствора и активного слоя постоянного состава.

Большинство выпускаемых приборов имеют Х - 0,38±0,01 с максимумом спектра электролюминесценции 650...670 нм. Активный слой при этом создается диффузией цинка, замена которой ионной имплантацией позволяет облегчить введение примеси, улучшить топологию прибора и его электрические характеристики.

При имплантации ионов цинка в оптимальном режиме изготовления (доза 2*10¹⁵ см-2, энергия 20 кэВ, отжиг при 1173 К) глубина p-n перехода составляет 2,0...3,5 мкм при концентрации примеси в слое постоянного состава в подложке ~ 6*10¹⁶ см^-3.

Полезное влияние на генерацию носителей оказывает повторная имплантация ионов фосфора.

Существенно улучшить характеристики p-n переходов по току утечки (уменьшить их в 40-50 раз) можно имплантацией ионов бериллия вместо цинка в GaP_0..4As_0.6 . Кроме того, использование легирования ионами бериллия позволило реализовать такие приборы с p-n переходами, как светодиоды на основе GaP_0..38As_0.62 и фотоприемники.

Для изготовления излучающих приборов коротковолновой части видимого диапазона может также использоваться карбид кремния, в котором p-n переходы создаются методами диффузии. Для улучшения эффективности люминесценции целесообразно вместо диффузии применять ионную имплантацию.

Светоизлучающие диоды и элементы памяти на селениде цинка, легированном алюминием до концентрации 10¹⁶ ...10¹⁹ см ^-3 , изготовляют с помощью имплантации ионов фосфора энергией 70.,.400 кэВ и дозой 10¹⁴ ...10¹⁶ см ^-2 с последующим отжигом при 723 К в вакууме или аргоне. Концентрация примеси в имплантированном слое составляет 10¹⁷ см ^-3 при глубине 0,46 мкм. Недостаток этих приборов - относительно низкая (порядка 0,0156) внешняя квантовая эффективность.

Для увеличения быстродействия и эффективности диодов с гетеропереходами в области рекомбинации создается большая концентрация легирующей примеси и ограничиваются ее размеры. Для этого в кристалл вводятся имплантационные нарушения. Выбор типа ионов определяется в основном толщиной слоя кристалла, определяющей пробег ионов. Так, при изготовлении структуры светодиода на основе Al_xGa_1-xAs с локализованной излучающей областью за счет бомбардировки протонами p-n переход полностью изолирован за пределами активной области, а емкость прибора уменьшена. Полученные значения времени нарастания и спада на уровнях 10 и 90% составляют 1,2 и 1,8 нc соответственно при импульсном токе 50 мА без постоянного смещения. Диод работает на частотах до 170 МГц на уровне 3 дБ.

3.3 Конструкции светодиодов

Светоизлучающие структуры весьма разнообразны (рис.1.11). Диффузионные GaAs(Zn) р-п, -структуры применяются лишь в целях повышения быстродействия (риc. 1.11, а).

В эпитаксиальных структурах (рис.1.11,6) образуется широкая область сильно компенсированного полупроводника, генерирующего более длинноволновые фотоны, чем GaAs(Zn). Это уменьшает оптические потери при выводе излучения. Двухслойная гетероструктура (рис.1.II,в) обладает всеми преимуществами гетеропереходов, а в трехслойной (рис.1.II,г) - за счет уменьшения эффектов самопоглощения и растекания носителей из активной области удается достигнуть теоретического предела по квантовой эффективности (з_int=1). В структуре на рис.1. II д при газофазном выращивании тройного соединения GaAs_1-xP_x требуемого состава ( X ~ 0,4) создается сравнительно толстый переходной слой, в котором параметр x постепенно изменяется от 0 до 0,4. Этим снижается плотность дислокации и других несовершенств, обусловленных различием в постоянных решетки GaAsP , GaAs - подложки. Генерируемые фотоны могут излучаться во всех направлениях. Если подложка эпитаксиальной структуры непрозрачна (например, GaAs), световой поток создается излучением вверх в пределах критического угла согласно закону Снелля.

Прозрачные подложки на основе GaP обеспечивают большую эффективность светового излучения. Обычно непрямозонные приборы изготовляются на GaP, а прямозонные - на GaAs подложках. Наилучшая светимость достигается при создании p-n перехода GaAsP c помощью диффузии цинка.

Структура красного GaP -светодиода (рис.1. II,е) создается введением в активную область кристалла примесей цинка и кислорода.

Обычно стремятся уменьшить величину активной области для получения меньших значений инжектируемого тока.

Различают следующие конструкции светодиодов (рис.1.12):

а - плоский p-n переход;

б - мезаструктура;

в - планарный p-n переход;

г - структура с локальной эпитаксией ;

д - полусферический кристалл с меэаструктурой;

е - конструкции в виде усеченного конуса;

з - структура с пластмассовой линзой.

Плоская конструкция наиболее простая и позволяет создавать диоды с большой рабочей поверхностью в несколько квадратных миллиметров.

Лучшие современные светодиоды плоской конструкции обеспечивают внешнюю эффективность до 20%, в среднем по различным материалам и типам до 15%, а для SiC - до 0,1%. Их недостатком является низкий КПД. Это объясняется тем, что в плоской конструкции угол выхода излучения и_в = 2*и ограничивается полным внутренним отражением от границы раздела полупроводник - среда. Его значение зависит от коэффициентов преломления полупроводника и среды. Критический угол, при котором наступает полное внутреннее отражение,

и_кр>=arcsin(n1/n2)

где n1, n2, - коэффициент преломления соответственно среды и полупроводника.

Поскольку полупроводник оптически значительно более плотен, чем воздух (например, n_GaAs= 3,3), большая часть световых лучей не выходит наружу, а отражается от поверхности внутрь кристалла и далее поглощается. Так, для поверхности раздела арсенид галлия -воздух лишь лучи, отклоняющиеся от нормали менее чем на 17°, выходят наружу.

Для всех и>и_кр излучение не выходит из полупроводника. Это является причиной низких эффективности и КПД плоской конструкции.

Наиболее эффективна полусферическая конструкция диода, что делает ее предпочтительной для целей оптоэлектроники, хотя технологически она сложнее плоской.

В полусферической конструкции, если отношение радиусов полусфер удовлетворяет условию