Светодиодные глубины. Основы полупроводниковой оптоэлектроники

Если в кристалле полупроводника создан p-n - переход, то есть граница между областями

с дырочной (p-) и электронной (n-) проводимостью, то при положительной полярности

внешнего источника тока на контакте к p -области (и отрицательной — на контакте к n -области) потенциальный барьер в p-n -переходе понижается и электроны из n -области инжектируются в

р -область, а дырки из p -области в n -область. Инжектированные электроны и дырки рекомбинируют, передавая свою энергию либо квантам света hν (излучательная рекомбинация), либо, через дефекты и примеси, тепловым колебаниям решетки (безызлучательная рекомбинация). Вероятность излучательной рекомбинации пропорциональна концентрации электронно-дырочных пар, поэтому наряду с повышением концентраций основных носителей в p - и n- областях желательно уменьшать толщину активной области, в которой идет рекомбинация. Но в обычных p-n -переходах эта толщина не может быть меньше диффузионной длины— среднего расстояния, на которое диффундируют инжектированные носители заряда пока не рекомбинируют.

Задача ограничения активной области рекомбинации решена в конце 60-х годов Алфёровым и его сотрудниками. Были предложены и практически изготовлены гетероструктуры,

сначала на основе GaAs и его твердых растворов типа AlGaAs, а затем и на основе других полупроводниковых соединений (рис. 7).

Рис.7. Излучающий кристалл с гетероструктурой Рис.8. Энергетическая диаграмма р-п - гетероструктуры

типа InGaN / AlGaN / GaN на подложке Al₂O₃.типа InGaN / AlGaN / GaN при прямом смещении U_f

В гетероструктурах толщина активной области рекомбинации может быть много меньше диффузионной длины.

Рассмотрим энергетическую диаграмму гетероструктуры (рис. 8), в которой между внешними p - и n -областями полупроводника с большими величинами ширины запрещенной зоны E_g2, E_g3 расположен тонкий слой с меньшей шириной E_g *. Толщину этого слоя d можно сделать очень малой, порядка сотен или даже десятков атомных слоев. Помимо потенциального барьера обычного p-n -перехода на гетерограницах слоя образуются потенциальные барьеры для электронов Δ E _c и дырок Δ E _v. Если приложить к переходу прямое смещение, возникнет инжекция электронов и дырок с обеих сторон в узкозонный слой. Электроны будут стремиться занять положения с наименьшей энергией, спускаясь на дно потенциальной ямы в слое, дырки устремятся вверх — к краю валентной зоны в слое, где минимальны их энергии.

Широкозонные внешние части гетероперехода можно сильно легировать с обеих сторон, добиваясь больших концентраций в них равновесных носителей. И тогда, даже не легируя активную узкозонную область примесями, удается достичь при инжекции значительных

концентраций неравновесных электронно-дырочных пар в слое. Отказ от легирования активной областипринципиально важен, поскольку атомы примеси, как уже говорилось, могут служить центрами безизлучательной рекомбинации. Попав в яму, инжектированные электроны наталкиваются на потенциальный барьер Δ E _c, дырки — на барьер Δ E _v, поэтому и те и другие перестают диффундировать дальше и рекомбинируют в тонком активном слое с испусканием фотонов.

Применяемые материалы

группы A^IIIB^V имеют диапазон ширины запрещенной зоны от 1,9 до 3,5 эВ (рис. 9).

Твердые растворы AlGaInP на различных подложках излучают в диапазоне от 650 до 580 nm, структуры на основе GaN, InGaN имеют наибольший квантовый выход в пределах

540–400 nm. Рекомбинация электронно-дырочных пар в таких материалах происходит преимущественно с выделением кванта света.

Рис.9. Спектры люминисценции светодиодов на основе гетероструктур InGaN / AlGaN / GaN (сплошные линии) и AlInGaP/GaP (штриховые)

Энергия кванта hν пропорциональна ширине запрещенной зоны E_g — энергии, которую должен затратить заряд для прохода через эту зону.

О вероятности излучательной рекомбинации в узкозонном слое говорит внутреннийквантовый выход излученияη_i (число излучаемых фотонов на одну электронно-дырочную пару). В гетероструктурах величина i теоретически может быть близка к 100%.