Физические основы и принцип действия инжекционных источников света. Требования к материалам для светоизлучающих диодов и механизм излучательной рекомбинации

Свечение вещества под действием электрического поля называется электролюминесценцией. Следует различать электролюминесценцию, возникающую вследствие возбуждения носителями с высокой кинетической энергией, и электролюминесценцию, вызванную инжектированными носителями из-за контактной разности потенциалов твердых тел. Типичным примером инжекционной электролюминесценции является свечение в р-n переходе, находящемся под напряжением, приложенным в прямом направлении. В этом случае дырки из р-области и электроны из n-области движутся навстречу друг другу и рекомбинируют при попадании в область перехода с выделением фотонов. Другим примером инжекционной электролюминесценции является свечение в контакте полупроводник-металл, возникающее либо при инжекции носителей с энергией, превышающей барьер Шоттки, либо при туннельном прохождении электронов сквозь тонкую пленку диэлектрика. Здесь следует отметить, что свечение, вызванное возбуждением носителей с высокой кинетической энергией и инжекцией в р-n переходах, используется в дисплеях и индикаторных светодиодах, соответственно. В связи с тем, что данные методы генерирования излучения отличаются низким КПД, для генерации света с целью передачи информации в настоящее время используются более сложные полупроводниковые структуры, основанные на комбинации контактирующих между собой материалов.

Создаваемые в результате контакта переходы делятся на два вида:

- гомопереход, образованный одинаковыми, обычно простыми материалами с различной проводимостью, например, переход в контакте Ge n-типа и Ge р-типа;

- гетеропереход, образованный различными по химическому составу материалами, например, GaP.

Энергетические уровни гомоперехода:

Энергетические уровни гетероперехода:

Ec - энергетический уровень дна зоны проводимости, Ev - энергетический уровень валентной зоны

Рисунок 1 - Диаграмма энергетических уровней

Распределение энергии в гомопереходе и гетеропереходе приведено на рисунке 1, где слева дана картина уровней при отсутствии на переходе напряжения, а справа - для напряжения, приложенного в прямом направлении (плюс к р-области, а минус к n-области), В гетеропереходах ступени ΔEс и ΔEv определяются, соответственно, по разности ширины нижних и верхних краев запрещенных зон всей структуры полупроводника, а изготовление гетеропереходов производится выращиванием на поверхности одного из материалов слоя другого материала.

Требования к соединяемым материалам:

- для формирования простой двухкомпонентной структуры подбирают два вещества с близкими постоянными решетки;

- для трехкомпонентной структуры — расстояние между атомами может принимать любые значения, но ширина энергетической щели зависит от их состава;

- для четырехкомпонентной структуры — оба параметра могут подбираться независимо друг от друга.

Процессы выращивания кристалла с заданным направлением осей носят название эпитаксии и осуществляются различными способами, в частности, способом газовой фазы, способом химического осаждения, молекулярно-лучевым способом. Эпитаксия представляет собой выращивание кристаллов на подложке (основе), например, осаждением на нее материала в газообразном состоянии или путем химической транспортировки.

В отличие от индикаторных светодиодов введение в р-n структуру дополнительного слоя позволяет сформировать отличающийся более высоким КПД светоизлучающий LED диод.

Светодиод представляет собой полупроводниковый диод с p-n-переходом, протекание тока через который вызывает интенсивное некогерентное излучение. Процесс генерации света в таком диоде основан на рекомбинации электронов и дырок в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока с выделением фотонов, обладающих энергией, равной энергии запрещенной зоны материала полупроводника. Генерация фотонов только в активной области связана с тем, что в материалах с большей энергетической зоной генерация фотонов невозможна. Кроме этого, большая запрещенная энергетическая зона предотвращает поглощение фотонов (генерацию электронов и дырок) и делает встроенные слои прозрачными для излучаемых волн.

Центральная длина волны λ₀ излучения в этом случае определяется уровнем запрещенной энергетической зоны Eg и равна:

Для светодиодов характерны два механизма излучательной рекомбинации:

- межзонная рекомбинация свободных электронов и дырок в прямозонных полупроводниках (квантовые переходы зона - зона, рис.2);

- рекомбинация электронов и дырок в составе экситонов, связанных с примесными изоэлектронными центрами (ловушками) в непрямозонных полупроводниках (рис. 3).

Прямые переходы происходят без изменения импульса электрона (на рис. 2 импульс до и после перехода равен нулю), поэтому закон сохранения импульса выполняется "автоматически" при непосредственной рекомбинации электрона с дыркой. Вероятность излучательной рекомбинации, очень низкая в непрямозонных полупроводниках, может резко возрасти при образовании в них изоэлектронных (электрически нейтральных) экситонных ловушек. В GaP такие ловушки образуются путем легирования кристалла азотом (при этом атом N замещает в решетке атом P) или одновременно кислородом и цинком (атомы O и Zn замещают атомы P 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 также, как в прямозонном полупроводнике; при этом импульс передается центру. Энергия данного перехода отличается от ширины запрещенной зоны Eg на энергию связи экситона ΔEэкст. Естественно, что при обоих механизмах излучения имеет место и безизлучательная рекомбинация, бесполезно расходующая часть энергии возбуждения.

При повышении частоты возбуждающего сигнала наблюдается уменьшение интенсивности излучения, и возникновение релаксации излучения при работе в режиме переключения. Это связано с инерционностью процессов возникновения и гашения рекомбинационной люминесценции.

6) Конструкция типовых светоизлучающих диодов.

Параметры светодиода зависят не только от вида используемой в нем полупроводниковой структуры, но и от геометрических характеристик кристалла.

1 - омические контакты, 2 - активная область, 3 - алюминиевый контакт, 4 - кристалл.

7) Рисунок 4 а) поперечное сечение; б) вид сверху.

8)

Плоская конструкция(рис. 4) получила широкое распространение благодаря простоте и низкой стоимости и используется в самых массовых изделиях оптоэлектроники: индикаторах и оптопарах. Если верхний омический контакт изготовить в виде узкой полоски, то прямой ток локализуется, активная область резко сужается и преобладает торцовое излучение в месте выхода p-n-перехода на боковую грань кристалла. Такие светодиоды с торцовым свечение иногда находят применение в волоконно-оптических линиях связи, а также в лазерных принтерах.

1 - омические контакты, 2 - активная область, 4 – кристалл

Одной из разновидностей СИД являются суперлюминесцентные диоды (SLED), которые отличаются большей по сравнению с лазерными диодами (LD, ЛД) стабильностью, имеют меньший уровень шумов, а большая ширина спектра решает все проблемы, связанные с оптической интерференцией. Дополнительными преимуществами SLED в этом случае являются: высокая линейность, меньшее потребление энергии и, вследствие низкой плотности тока, высокая надежность. Так как SLED не очень чувствительны к перегрузке, для управления ими можно использовать простые схемы управления.

1 - омические контакты, 2 - активная область, 3 - диэлектрическая пленка, 4 – кристалл, 5 - зависимость показателя преломления

Рисунок 9

SLED представляет собой модификацию инжекционного лазерного диода, работающего не в режиме генерации, а в нелинейном режиме усилителя бегущей волны: выходное излучение является усиленным в активной среде с инверсной населенностью собственным спонтанным излучением. Достигается такой режим посредством “разрушения” обратной связи. Для этого используется несколько приемов: просветление одной из границ (R>0); наклонный скол одной из граней (нарушение плоскопараллельности зеркал); косое по отношению к плоскости излучающей грани расположение токоподводящего контакта; обрыв активной области в толще кристалла без выхода на одну из плоскопараллельных граней. Во всех остальных элементах конструкции суперлюминесцентный диод подобен лазеру с ДГС. Иногда отраженного луча нет или, отражаясь, он попадает в неактивную поглощаемую среду - происходит срыв генерации. Особенности такого прибора - отсутствие модовой структуры в выходном потоке и более существенная, чем у лазеров, роль спонтанного излучения.

Меза-структура (рис. 5) сложнее в изготовлении, однако ее использование позволяет уменьшить площадь излучения, а также улучшить диаграмму направленности вследствие собирающего действия боковой конической поверхности суженной части кристалла. Меза-структуры нередко дополняются фокусирующими микролинзами, изготавливаемыми из пластмассы или из самого полупроводникового кристалла (рис. 6). В конструкциях с линзой достигается наиболее высокая эффективность вывода излучения, однако они сложны, а иногда и неприемлемо громоздки. Другие методы уменьшения площади фронтального излучения - локальная эпитаксия или локальная диффузия в планарном процессе - также используются, но при этом не всегда удается преодолеть деградационый эффект.

9) 1 - омические контакты, 2 - активная область, 3 - высокоомная область, 4 – кристалл, 5 - эпоксидная смола, 6 - волоконный световод/стеклянный шарик.

10)

11) Так называемый баррас-диод (рис. 2.14), а также светодиод со стеклянной шариковой линзой (рис. 2.15) разработаны специально для ВОЛС. В конструкции Барраса близость активного слоя к поглотителю тепла означает, что тепловое сопротивление мало и можно использовать высокие плотности тока без чрезмерного повышения температуры, которое может привести к трем эффектам: меняется распределение излучения по длинам волн, падает внутренняя квантовая эффективность вследствие возрастания скорости безызлучательной рекомбинации, падает срок службы светоизлучающего диода. Один из недостатков двойной гетероструктуры, применяемой в светодиоде Барраса, обусловлен низкой теплопроводностью слоя GaAlAs, составляющей примерно третью часть теплопроводности GaAs. В результате пропорционально возрастает температура перехода при той же самой плотности тока. Активный слой может быть изготовлен из GaAlAs с меньшим содержанием Al, чем в ограничивающем слое. При этом появляется возможность частотной перестройки и снижения плотности дислокации в активном слое.