|
| |
|
Слаботочка Книги изоэлектронных (электрически нейтральных) экситонных ловушек. В уаР такие ловушки образуются путем легирования кристалла азотом (при этом атом N замещает в решетке атом Р) или одновременно кислородом и цинком (атомы О и Zn замещают атомы Р и Ga соответственно). Энергетическая структура этих центров такова, что они эффективно притягивают электроны и дырки с образованием экситонов. После локализации частиц на «тяжелом» центре их излучательная рекомбинация происходит так же, как в прямозонном полупроводнике; при этом импульс передается центру. Энергия данного квантового перехода отличается от ширины запрещенной зоны Eg на энергию связи экситона AfaKCT. Естественно, что при обоих механизмах излучения имеет место и безызлучательная рекомбинация, бесполезно расходующая часть энергии возбуждения. Процесс иижекции отличается тем, что при малых плотностях тока концентрация вводимых носителей п (или р) пропорциональна прямому току /пр, при этом мощность излучения Рцзл~п (или р). При больших плотностях тока п(р) ~1/ пр» НО При ЭТОМ Ризл tipj т, е. по-прежнему /изл/пр- Таким образом, в широком диапазоне значений /пр ватт-амперная характеристика светодиодов линейна (рис. 5.4,(3). Участок низкой эффективности свечения при очень малых прямых токах обусловлен значительным вкладом безызлучательной рекомбинации на поверхности и в области объемного заряда, при увеличении тока эти центры рекомбинации «забиваются» носителями заряда и их роль ослабевает. Сублинейный участок ватт-амперной характеристики при больших прямых токах чаще всего связан с ухудшением инжектирующей способности р-п-перехода и с разогревом; у GaP (Zn-О)-светодиодов это объясняется эффектом насыщения (заполнения) центров излучательной рекомбинации, концентрация которых из-за малой растворимости кислорода невелика. Уменьшение интенсивности излучения при повышении частоты возбуждающего сигнала (рис. 5.4,е), возникновение релаксаций свечения при работе светодиода в режиме переключения (рис. 5.4,ж) связаны с инерционностью процессов возникновения и гашения рекомбинационной люминесценции. Диаграмма направленности излучения светодиода (рис. 5.4,з, и) значительно шире, чем у лазера, что обусловлено хаотичностью направлений распространения отдельных генерируемых фотонов. По спектральному диапазону и, как следствие, по основному функциональному назначению светодиоды подразделяются на две группы: светодиоды видимого диапазона спектра, предназначенные для устройств визуального отображения информации (интенсивность излучения характеризуется силой света /«); полупроводниковые ИК-излучатели, называемые обычно ИК-светодиодами, предназначенные для работы с физическими при- емниками, главным образом в ВОЛС, оптопарах, оптических ЗУ (интенсивность излучения характеризуется мощностью Р„зл). Как и в случае лазеров, наилучшим сочетанием параметров обладают гетеросветодиоды на основе гетероструктур, хотя специфика генерации некогерентного излучения позволяет широко использовать и светодиоды на основе однородных полупроводников. Основы теории. Длина волны излучения светодиода Ямакс определяется соотношением (2.43): в случае прямозонного полупроводника Д£ заменяется на ширину запрещенной зоны Eg, в случае непрямозонного - на £g-Дэкст-Поскольку для GaP(N) величина Дэкст не превышает 0,03 эВ, то в этом случае люминесценция идет в желто-зеленой части спектра (Ямакс=565... 580 нм); для GaP(Zn-О) А£экст«=0,3 эВ и Ямакс«700 нм (красный цвет свечения). Приведенные данные характеризуют основную полосу излучения; сложный энергетический спектр краев валентной зоны и зоны проводимости, а также центров люминесценции (особенно при образовании экситонных изоэлектронных ловушек в GaP), предопределяет и сложность тонкой структуры излучения светодиода. Ширина спектра излучения ДЛ, в силу спонтанности электронных переходов пропорциональна энергии теплового возбуждения kT; при комнатной температуре АХ=30... 40 нм для GaAs- и GaAlAs-, Д?„ако«80 нм для GaP(Zn-О)- и ДЯмакси120... 140 нм для InGaAsP-светодиодов. Принимая во внимание, что Eg=f{T) и AK~kT, получаем d„aKc/dr=const; d (АК) IdT=const, (5.21) причем величина dXaaddT составляет 0,2 и 0,1 нм/°С для прямо- и непрямо-зонных .полупроводников соответственно. Внешний квантовый выход, характеризующий интенсивность излучения светодиода, r\ext=r]intyKonr, (5.22) где Y - коэффициент инжекции, rjint - внутренний квантовый выход, а /<опт-коэффициент вывода излучения из кристалла. Рассмотрим сомножители в (5.22). Полагая, что вероятности переходов всех видов (излучательных и безызлучательных) независимы друг от друга и раскрывая те в (2.44), имеем Ч - -„-3 + = + V + -oie -t тг + т-. (5-23) Здесь вместо вероятностей переходов использованы обратные им величины, представляющие собой средние значения времени жизни избыточных носителей заряда лри протекании рекомбинационных процессов: Тнзл - излучательная рекомбинация, Тц - рекомбинация через глубокие центры, определяемая по (2.49); Тоже - Оже-рекомбинация, определяемая по (2.53); Ts - поверхностная рекомбинация в местах выхода активной области «а поверхность полупроводника; Тгг - поверхностная рекомбинация в объеме кристалла на гетерогра-ницах (в случае гетеросветодиода). Экспериментальные исследования показали, что для основных видов гетерограниц (в GaAlAs и InGaAsP) при не слишком малых толщинах активной области (1>0,01 мкм) два последних члена в (5.23) могут не приниматься во внимание. Если возбуждение светодиода не очень силыюе и Оже-рекомбинация несущественна, то 1 + Ci ехр --а- , (5.24) где ц, изл \- энергетические уровни глубоких центров и центров люминесценции; С\-константа, причем Ci-NiJNuaa (Лц, Лизл-концентрации соответствующих центроЬ). При Лизл>Лц и (ц-£изл>йГ, как видно из (5.24), Tii7i(-100%. Иными словами, для обеспечения высокой эффективности уровни центров люминесценции должны быть неглубокими, а их концентрации - большой. Экспериментально Tii,i(»1007c было получено для GaAlAs-гетероструктур еще в 1975 г., причем в широком диапазоне изменения Лизл (5-10... 10* см-) величина r\int оказывается практически постоянной. Как следует из (5.24), величина r\int уменьшается с ростом температуры, что и наблюдается на практике (для GaAlAs- и ОаР-светодиодов коэффициент Рш,1 dT При концентрации носителей заряда в активной области, превышающей 10" см-з (вследствие выбора большого значения Лизл или при сильном возбуждении светодиода), становится существенной Оже-рекомбинация (передача энергии свободному носителю, «разогрев» электронно-дырочной плазмы) и r\int резко уменьшается. Козффпцкенг ипжекции, характеризующий эффективности р-п-перехода, y=UI{U+Ii,+I<.c+hy+Is). (5.25) Здесь In - электронный ток накачки базовой области (принято, что она имеет дырочную проводимость); /j, - обратный по направлению поток дырок, просачивающихся через р-л-переход в и-эмиттер (для -качественного гетероперехода /jj=0); /о.с - ток безызлучательной рекомбинации электронов в обедненном слое, примыкающем к р-п-переходу; /туя - туннельный ток дырок, существенный, если обедненный слой очень тонок; h - ток поверхностной рекомбинации. Отдельные компоненты полного тока описываются зависимостями (2.20), (2.22), (2.25), общую формулу для у получить не удается. При слабых возбуждениях отклонение у от 1 обусловлено компонентом /о.с и иногда h, а при больших - /тун и /р. Коэффициент вывода фронтального излучения для простейшей модели рис. 5.4,с /Сопт=Окр/(4п), (5.26) где fi„p - телесный угол при вершине конуса с плоским углом 2акр, определяемым условием полного внутреннего отражения: a„p=arcsin(l/«nn), (5.27) где Ппп - показатель преломления используемого полупроводника. Расчет по (5.27) для всех светодиодов (GaAs, GaP, InGaAsP и др.) дает iConT»2%. Вывод излучения может быть существенно улучшен, если принять меры по оптимизации конструкции - использовать многопроходные эффекты и переизлучение, а также различные фокусирующие оптические элементы. Диаграмма направленности кристалла светодиода простейшей плоской конструкции ламбертовская: это обусловливается разновероятностью всех направ- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 [46] 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |