Светодиоды на основе твердых растворов GaAsP, GaP, GaAsPrNи GaP:N

October 12, 2011 by admin Комментировать »

 

Сначала светодиоды применяли там, где не требовалось большой яркости свечения, например в качестве индикаторных ламп. Их использовали если эффективность и полная оптическая мощность не являлись параметрами первоочередной важности. Для других применений, например в светофорах, излучение светодиода должно быть видно с большого расстояния даже в яркий солнечный день. В таких случаях требуются светодиоды, обладающие высокой эффективностью и яркостью.

В этой главе будут рассмотрены светодиоды как с низкой, так и с высокой яркостью. Там, где не требуется высокая яркость, могут применяться светодиоды на основе GaAsPи GaAsP:N, легированные азотом. Светодиоды на основе AlGaAsиспользуют в тех случаях, когда необходима как низкая, так и высокая яркость. В устройствах повышенной яркости применяются светодиоды на основе AlInGaPи InGaN.

Твердые растворы GaAsi_xPx. GaAsi-^Px^Nиспользуют в устройствах, излучающих в красной, оранжевой, желтой и зеленой областях видимого спектра. Поскольку слои GaAsPи подложки из GaAsимеют разные параметры кристалллических решеток, светодиоды на их основе обладают сравнительно низким внутренним квантовым выходом излучения. Они применяются только там, где не требуется высокая яркость свечения.

Одни из первых светодиодов видимого спектра были созданы на основе твердого раствора GaAsi-^P® (Holonyak, Bevacqua, 1962; Holonyaketal., 1963, 1966; Pilkuhn, Rupprecht, 1965; Nueseetal., 1966; Wolfeetal., 1965). В начале 1960 гг. подложки из GaAsуже выпускались серийно. Технология объемного выращивания подложек из GaAsпоявилась в 1950 гг., а в 1960 гг. были разработаны методы эпитаксиального роста слоев из газовой и жидкой фазы. При введении фосфора в GaAsполучили тройной твердый раствор GaAsi-^Px. или кратко GaAsP. GaAsизлучает в инфракрасной области на длине волны 870 нм; добавление фосфора увеличивает ширину запрещенной зоны

и сдвигает спектр излучения в видимую область, которая начинается приблизительно с 750 нм. Поэтому для получения светодиодов видимого спектра достаточно небольшого количества фосфора. Однако следует отметить, что на краю видимой части спектра человеческий глаз обладает довольно низкой чувствительностью.

Большой проблемой светодиодов на основе GaAsPявляется рассогласование параметров решеток подложек GaAsи эпитаксиальных слоев GaAsP. Они различаются почти на 3,6%, поэтому при толшине слоя GaAsPна подложке GaAsбольше некоторой критической образуются дислокации несоответствия. При увеличении концентрации фосфора в твердом растворе GaAsPэффективность люминесценции значительно снижается. Поэтому светодиоды GaAsPимеют невысокую яркость свечения.

При изучении твердых растворов GaAsPвыяснили, что рассогласование решеток подложек GaAsи эпитаксиальных слоев GaAsPснижает эффективность излучения. Также было обнаружено, что эффективность излучения активного слоя сильно зависит от условий выращивания и особенно от толщины буферного слоя GaAsP (Nueseetal., 1969). Толстый буферный слой снижает плотность дислокаций за счет устранения дислокаций несоответствия. Однако и при этом плотность дислокаций остается выше, чем в подложках GaAs, и поэтому остается весьма существенной даже в структурах с толстыми буферными слоями GaAsP.

На рис. 12.1 показаны зонные диаграммы GaAs, GaAsPи GaP. Видно, что GaAsPпри низкой молярной доле фосфора является пря- мозонным полупроводником. Когда доля фосфора превышает 45-50%, полупроводник становится непрямозонным, что приводит к резкому падению внешнего квантового выхода (Holonyaketal., 1963, 1966). Непрямозонный полупроводник GaPмало пригоден для использования в качестве эффективного материала для светодиодов.

Светодиоды из GaAsPи GaPчасто легируют изоэлектронными примесями, например азотом (Glmmeiss, Scholz, 1964; Loganetal., 1967a, 1967b, 1971; Crafordetal., 1972; Groves, Epstein, 1977; Grovesetal., 1978a, 1978b) 0. Такие примеси формируют внутри запрещенной зоны полупроводника оптически активные уровни, и рекомбинация носителей через эти уровни происходит с испусканием фотона, т.е. становится излучательной , что показано на рис. 12.1.

Светодиоды, легированные изоэлектронными примесями, представляют интерес и с фундаментальной точки зрения. Они являются одним из важных практических применений принципа неопределенности Гейзенберга. Волновые функции электронов на изоэлектронных примесях сильно локализованы в пространстве, т.е. обладают малой неопределенностью координаты Ах. Следовательно, эти волно-

Рис. 12.1. Схематическое изображение зонных структур GaAs, GaAsPи GaP. На схеме также показан уровень изоэлектронной примеси азота. При молярной доле фосфора х « 0,45-0,50 происходит преобразование зонной структуры GaAsP: он становится непрямозонным полупроводником. ГСВ — минимум зоны проводимости в точке Г зоны Бриллюэна, ХСВ — минимум зоны проводимости в точке X зоны Бриллюэна, FVB— максимум валентной зоны в точке Г зоны

Бриллюэна

 

вые функций делокализованы в пространстве квазиимпульсов (велика неопределенность Ар). Поскольку энергетические уровни примесей обладают неопределенностью, существует большая вероятность того, что один из двух вертикальных переходов через примесной центр является излучательным. С физической точки зрения это означает, что при непрямом межзонном переходе электрона из Х-долины зоны проводимости в центральную Г-долину валентной зоны происходит изменение квазиимпульса, передаваемого атому изоэлектронной примеси.

На рис. 12.2 показана зависимость максимума энергии излучения от химического состава нелегированного GaAsi_a;Pxи GaAsi_a;Pa;. легированного азотом (Crafordetal., 1972). Видно, что энергия излучения легированного и нелегированного GaAsPвсегда ниже значений ширины запрещенной зоны полупроводника (приблизительно на 50-150 мэВ). В результате этого в структурах, легированных азотом, перепоглощение излучения играет гораздо меньшую роль, чем в светодиодах, в которых действует межзонная излучательная рекомбинации. В этом и заключается основное достоинство светодиодов, легированных изоэлектронными примесями.

В работах (Grovesetal., 1978а, 1978b) было показано, что это преимущество светодиодов становится явным, если азотом легируется только активная область. В этом случае легированию подвергается сам р-тг-переход и прилегающие к нему области на расстоянии диффузионных длин носителей. Остальные области — барьерные слои и слои растекания тока азотом не легируются. Поэтому перепоглощение света изоэлектронными примесями ограничено узкой зоной активного слоя. Для светодиодов на основе GaP:N, в которых азотом легирована

Рис. 12.2. Зависимость максимума энергии излучения от химического состава нелегированного GaAsi-ajP® и GaAsi_a;Pa;, легированного азотом, при плотности тока инжекции 5 А/см^ и комнатной температуре. Показаны также значения ширины запрещенной зоны для прямых и непрямых межзонных переходов. При ж « 50% полупроводник из прямозонного превращается в непрямозонный

(Crafordetal., 1972)

 

только активная область, внешний квантовый выход излучения может достигать нескольких процентов.

На рис. 12.3 показаны зависимости внешнего квантового выхода излучения нелегированных светодиодов на основе GaAsPи СД с активной областью, легированной азотом, от молярной доли фосфора в трехкомпонентном твердом растворе (Campbell, 1974). Видно, что эффективность легированных светодиодов намного выше, чем нелегированных, во всем диапазоне изменений химического состава.

Также отметим, что при изменении молярной доли фосфора х в диапазоне 40-60% эффективность светодиодов на основе GaAsPснижается более чем на два порядка. Это объясняется изменением типа межзонных переходов в полупроводнике (с прямых на непрямые) и тем, что при высоком содержании фосфора увеличивается плотность дислокаций. При х « 0,75 внешний квантовый выход излучения светодиодов на основе GaAsPсоставляет лишь 0,002%.

На рис. 12.4 представлены зависимости внешнего квантового выхода излучения светодиодов на основе GaAsP, нелегированных и легированных азотом в активной области, от длины волны излучения. Видно, что эффективность легированных светодиодов выше эффективности

Рис. 12.3. Экспериментальные зависимости внешнего квантового выхода излучения светодиодов на основе GaAsP, не легированных и легированных азотом, в активной области, от молярной доли фосфора. Здесь также показаны расчетные данные по эффективности прямых межзонных переходов (Г) и переходов через уровни азота (N) (сплошные линии). Отметим, что во всем диапазоне я; > 50 эффективность переходов через оптически активные примесные уровни выше, чем у межзонных переходов (Campbelletal., 1974)

 

нелегированных особенно в диапазоне длин волн, соответствующем оранжевой, желтой и зеленой областям спектра (в этих диапазонах наблюдается увеличение эффективности в 2-5 раз). В красной области эффективности обоих типов светодиодов практически совпадают.

На рис. 12.5 сравниваются внещние квантовые выходы излучения светодиодов GaAsPнелегированных и легированных азотом. Сравнение подтверждает, что эффективность легированных светодиодов вы- ще, чем нелегированных, во всем диапазоне изменений молярной доли фосфора.

Величина яркости светодиодов, легированных изоэлектронными примесями типа азота, ограничена конечной растворимостью этих примесей. Например, азот растворим в GaPдо концентраций порядка 10^" см~^. Поскольку оптические переходы через примесные уровни протекают за короткое, но все же конечное время, предельный уровень концентрации азота определяет величину максимального рабочего тока, выще которой эффективность светодиодов падает.

Промышленно выпускаемые светодиоды зеленого свечения создают на основе GaP, легированного азотом. Светодиоды на основе GaP:Nиспользуют, в основном, в качестве индикаторных ламп; их нельзя встраивать в системы с высокими требованиями к яркости свечения и применять их для работы в условиях яркого внешнего освещения.

Рис. 12.4. Зависимости внешнего квантового выхода излучения светодиодов на основе GaAsP, не легированных и легированных азотом, от длины волны излучения (Grovesetal., 1978а, 1978b)

 

 

Рис. 12.5. Отношение внешних квантовых выходов излучения светодиодов из GaAsP, не легированных и легированных азотом, во всем диапазоне изменения молярной доли фосфора при 300 К (Grovesetal., 1978а, 1978b)

 

например при ярком солнечном свете. Для таких применений нужны светодиоды зеленого свечения из InGaN, обладающие высокой яркостью.

Источник:

 Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — 2-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с. – ISBN 978-5-9221-0851-5.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты