Слаботочка Книги

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

лений распространения генерируемых квантов. Вследствие спонтанногй характера электронных переходов излучение является некогерентным, при этом теряет смысл понятие его модового состава. Фронтальное излучение используется в большинстве конструкций светодиодов, известны, однако, и светодиоды с торцовым излучением. В этом случае диаграмма направленности несколько сужена из-за волноводиого эффекта при распространении света вдоль плоскости р-п-перехода (см. § 6.2).

Граничная частота светодиода (см. рис. 5.4,е) определяется временем жизни излучательной рекомбинации, при мономолекулярном механизме

т„зл=[л21п (или р)]-1. (5.28)

Это выражение справедливо при невысоких уровнях инжекции (п 10... 10 СМ"-), С учетом изменения механизма рекомбинации оценка максимальной ии-тенсивности спонтанных излучательных переходов для GaAlAs дает предельно малое Тнал«0,3 не.

Заметим, что количественные характеристики инерционности в высокочастотном и импульсном режимах, как правило, заметно отличаются друг от друга. Граничная частота /гр (см. рис. 5.4,е) определяется в режиме малого сигнала: через светодиод протекает постоянный большой ток прямого смещения 1°пр, на который накладывается гармоническое возмущение: /пр(0 =/пр-ЬД/грХ Xsin 2jtf/, причем A/np "iip<C; 1. При этом инерционность опрделяется лишь временем жизни носителей заряда.

При переключении (см. рис. 5Л,ж) реализуется режим большого сигнала, поэтому скорость релаксации зависит еще и от таких процессов, как перезарядка барьерной емкости р-п-перехода (которая превышает 10... 1(Р пФ), установление нового распределения концентрации носителей во всей базовой области. Этим и обусловлено то, что на практике 1 гр<<зд.полн, где полное время задержки <зд.полн=ад.Екл-Ьнр (или /зд.выкл-fси). Например светодиод. имеющий инерционность в импульсном режиме ?гд.полн=15... 20 не, может иметь в режиме малого сигнала .frp»600 МГц (т. е. 1Ягр=«2 не).

Лишь при короткозамкнутой цепи светодиода высокочастотный и импульсный режимы становятся почти эквивалентными; при этом могут быть достигнуты теоретически предельные цифры: <зд.полн«0.3... 0,5 не и frp>l... 2 ГГц для GaAlAs-излучателей.

Основные материалы. В производстве светодиодов используются пять типов полупроводниковых соединений.

Арсенид галлия GaAs интересен, во-первых, исторически как прямозонный полупроводник, на котором впервые наблюдалась инжекционная люминесценция. Однако большинство GaAs-излу-чателей деградируют, поэтому заметного промышленного распространения они не получили. Исключение составляют лишь р-п-структуры, в которых эпитаксиальная область легирована кремнием; здесь, кроме того, в силу амфотерного действия кремния область излучательной рекомбинации оказывается очень широкой (до 20 ... 40 мкм). Характерно и то, что линия генерации кремниевого центра (Хизл~0,95 мкм) сдвинута вправо от красной границы поглощения, поэтому излучение проходит через толщу n-GaAs без потерь. Оба эти обстоятельства обусловливают высокий квантовый выход (до г)еж(г«50%); однако быстродействие GaAs(Si)-

излучателей невелико (около 1 мкс). В основном GaAs используется лишхь как подложка при выращивании тверды.х растворов.

Фосфид, галлия GaP - классический непрямозонный полупроводник с эффективной излучательной рекомбинацией через изоэлектронные ловушки. Важная особенность GaP, как и вообще непрямозонных материалов, - прозрачность для собственного излучения Среди других широкозонных соединений АВ (таких, как А1Р, AlAs) GaP выделяется высокой химической стабильностью, технологичностью получения и обработки. Эпитаксиаль-ные структуры довольно большой площади создаются методами газофазной и жидкофазной эпитаксии. Разработана техника диффузионного легирования GaP донорными и акцепторными примесями (Те, Sn, Zn), а также примесями, создающими изоэлектронные ловушки (N; Zn, О). GaP - незаменимый материал для изготовления светодиодов зеленого цвета свечения, широко применяется и при создании «красных», «желтых», «оранжевых» светодиодов. Важным недостатком является уже упоминавшееся насыщение яркости свечения в красной области при малых плотностях тока (около 1 ...5 А/см), что делает затруднительным мультиплексное (импульсное с большой скважностью) возбуждение и тем самым ограничивает применение GaP в многоэлементных устройствах. GaP широко используется и как подложечный материал.

Арсенид-фосфид галлия GaAsi-rv;Px является важнейшим светодиодным материалом. Изменение процентного содержания фосфора позволяет получать любое свечение от зеленого до красного цвета, при этом оптимальный состав с х<, 0,4 (?»,изл~660 нм) является прямозонным, что обеспечивает высокую яркость свечения, ненасыщенность тюкс-амперной характеристики и пригодность для мультиплексного режима работы. Активная структура светодиода представляет собой р-п-переход, изготавливаемый методом диффузии цинка из газовой фазы в исходную эпитаксиаль-ную пленку GaAsP, выращенную на GaAs- или СаР-подло?кке. К числу технологических достоинств этого материала относится использование высокопроизводительной газофазной эпитаксии (хло-ридно-гидридный процесс), большая площадь структур, высокая однородность свойств, гладкость поверхности, обусловливающая возможность применения фотолитографии, низкая стоимость. Важно, что прямозонный GaAsP непрозрачен для собственного излучения, поэтому возможно размещение на одном кристалле большого числа излучающих элементов без взаимозасветки и без ухудшения контрастности изображения. Благодаря этим обстоятельствам на основе соединения GaAso,6Pc),4 изготавливается подавляющая часть знакосинтезирующих индикаторов, главным образом красного цвета свечения.

Арсенид галлия-алюминия Gai-.-KAUAs является важнейшим материалом для создания ИК-излучателей. Основное принципиальное достоинство этого материала заключается в возможности получения в нем высококачественных гетероструктур с очень ма-

лым рассогласованием постоянных решетки (Да/а<;0,1%) при достаточно широком диапазоне изменения состава (£g=l,4 - ... 1,85 эВ). Структурное совершенство позволяет получать предельный внутренний квантовый выход (T]i„t~ 100%), а использование широкозонного окна, многопроходных эффектов, реализуемых в гетеродиодах, - и высокий внешний квантовый выход (десятки процентов). Малые толщина активной области в двойных ге ероструктурах и время жизни излучательной рекомбинации обусловливают высокое быстродействие GaAiAs-излучателей. Наиболее эффективные излучатели работают в спектральной полосе Яизл ~ 0,82 ... 0,87 мкм, конкретное значение Кизл диктуется условиями применения (например, для ВОЛС оптимально %ii3.i = = 0,825 мкм).

Основной недостаток этого соединения (в сравнении, например, с GaAsP) состоит в том, что эффективные излучатели изготавливают лишь методом жидкофазной эпитаксии: высокая активность алюминия является препятствием для проведения высокотемпературного газотранспортного процесса. Отсюда меньшие площади обрабатываемых пластин, более высокая стоимость приборов. По этой причине GaAlAs-светодиоды красного цвета свечения (?>.11зл~700 нм), имеющие рекордно высокую яркость, получили лишь ограниченное распространение.

Подчеркнем, что по показателю «мощность излучения X быстродействие» GaAiAs-светодиоды наиболее полно удовлетворяют потребностям оптоэлектроники.

Арсенид-фосфид индия-галлия Ini TcGa,TcAsi-j,P у - относительно новый материал: промышленный выпуск светодиодов на его основе осуществлен с начала 1980-х гг. Представляя собой четырехкомпонентное соединение, этот материал позволяет в широком интервале изменения состава (£g= 1,1 ... 0,7 эВ) реализовать принцип изопериодичности (см. § 2.2). Как и в случае GaAlAs, создание совершенных гетероструктур обеспечивает высокую мощность излучения и быстродействие, при этом в более далеком ИК-Диапазоне (?»,изл= 1,3 ... 1,6 мкм), оптимальном для ВОЛС второго поколения.

Разновидности светодиодов. Основные типы излучающих полупроводниковых структур (рис. 5.5) фактически уже подробно обсуждены выше, поэтому ограничимся лишь некоторыми дополнительными замечаниями. Простейшая р-п-структура в гомогенном полупроводнике (рис. 5.5,а) характерна для наиболее распространенных GaP- и GaAsP-светодиодов (в последнем случае рисунок относится лишь к эпитаксиальной пленке). Структура вида рис. 5.5,6 с достаточно широкой промежуточной областью, близкой по свойствам к собственному [i) полупроводнику, реализуется в GaAs (Si)-излучателях, а также в GaP- и GaAs-прибо-рах с полуизолирующими областями, создаваемыми главным образом диффузией хрома. Эти структуры используются в диодах с перестраиваемым цветом свечения и в других функционально интегрированных излучающих приборах. 146

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