Светодиоды, полупроводниковые лазеры и гетеропереходы. Выполнили: Фролов Д.И. Корбут Ф.А. Группа 21302

Светодиоды Светодиодом, или излучающим диодом, называют полупроводниковый диод на базе p-n либо гетероперехода, излучающий кванты света при протекании через него прямого тока. По характеристике излучения светодиоды разделяют на две группы: светодиоды с излучением в видимой части спектра; светодиоды с излучением в инфракрасной части диапазона. По характеристике излучения светодиоды разделяют на две группы: светодиоды с излучением в видимой части спектра; светодиоды с излучением в инфракрасной части диапазона.

Спектральная характеристика излучения светодиода при межзонных переходах представляет из себя монохроматическую линию, полушириной kT и центрированную при значении hν = Eg, при этом интенсивность излучения описывается нижележащим соотношением. В качестве примера приведем спектр излучения красного светодиода АЛ112 при комнатной температуре, который хорошо описывается этим соотношением.

Принцип действия светодиода Принцип действия светодиода основан на излучательной рекомбинации инжектированных носителей в прямосмещенном p-n переходе

Методы инжекции Основным методом создания неравновесных носителей в оптоэлектронных устройствах является инжекция неосновных носителей через прямосмещенный электронно-дырочный переход (p-n или гетеропереход). Вольт-амперная характеристика p-n перехода описывается следующим соотношением:

Условие односторонней инжекции в p-n переходе При прямом смещении в токе p-n перехода присутствуют обе инжекционные компоненты: электронная и дырочная. Для большинства оптоэлектронных устройств необходимо, чтобы в инжекционном токе присутствовала только одна компонента электронная или дырочная. Для несимметричных p-n переходов величина основной инжекционной компоненты в токе p-n перехода выражается соотношением: Таким образом, для реализации односторонней инжекции в p-n переходе необходимо иметь эмиттер этого перехода легированным, как правило, до вырождения, а базу слаболегированной, по крайней мере на 3–4 порядка меньше, чем эмиттер. Таким образом, для реализации односторонней инжекции в p-n переходе необходимо иметь эмиттер этого перехода легированным, как правило, до вырождения, а базу слаболегированной, по крайней мере на 3–4 порядка меньше, чем эмиттер.

Условие односторонней инжекции в гетеропереходе При анализе вкладов дырочного и электронного инжекционного тока необходимо учесть, что p- и n-области в гетеропереходах состоят из разных полупроводников. В связи с этим значения собственной концентрации ni диффузионной длины и коэффициентов диффузии будут различными. При анализе вкладов дырочного и электронного инжекционного тока необходимо учесть, что p- и n-области в гетеропереходах состоят из разных полупроводников. В связи с этим значения собственной концентрации ni диффузионной длины и коэффициентов диффузии будут различными. Как правило, в гетеропереходах ширина запрещенной зоны компонент гетероперехода отличается в 1,5–2 раза. Вследствие этого, значение собственной концентрации ni будет отличаться на много порядков. Как правило, в гетеропереходах ширина запрещенной зоны компонент гетероперехода отличается в 1,5–2 раза. Вследствие этого, значение собственной концентрации ni будет отличаться на много порядков. Для гетеропереходов доля инжекционного тока в полном токе гетероперехода будет:

Светодиоды видимого диапазона Спектральная чувствительность человеческого глаза находится в диапазоне цветов от фиолетового до красного и имеет максимум для зеленого цвета. По длинам волн этот диапазон находится от 0,39 мкм до 0,77 мкм, что соответствует энергии квантов света от 2,8 эВ до 1,8 эВ. Все многообразие цветов находится во внутренних пределах выделенного контура. По осям X и Y отложены доли двух компонент, определяющие вклад третьей. Вдоль контура цифрами указаны длины волн монохроматического излучения, соответствующие тому или иному цвету. Все многообразие цветов находится во внутренних пределах выделенного контура. По осям X и Y отложены доли двух компонент, определяющие вклад третьей. Вдоль контура цифрами указаны длины волн монохроматического излучения, соответствующие тому или иному цвету.

Из вышеизложенного следует, что в качестве излучательной среды в светодиодах видимого диапазона необходимо использовать прямозонные полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,8–2,8 эВ. Одним из распространенных полупроводниковых соединений, удовлетворяющим перечисленным характеристикам, является твердый раствор GaAs 1-x P x. При изменении процентного содержания фосфора P от 0 до 1 ширина запрещенной зоны этого соединения меняется (x = 0, GaAs, Eg = 1,424 эВ; x = 1, GaP, Eg = 2,31 эВ).

Для приборной реализации всей цветовой гаммы используют широкий спектр полупроводниковых материалов. Светодиоды выпускаются красного (1,8 эВ GaP: ZnO, GaAs 0,6 P 0,4 ), оранжевого (GaAs 0,35 P 0,65 ), желтого (GaAs 0,14 P 0,86 ), зеленого (2,3 эВ GaP, ZnTe), голубого (2,4 эВ GaAs-ErYb, SiC, CdS), фиолетового (2,8 эВ GaN) цветов свечения. Для приборной реализации всей цветовой гаммы используют широкий спектр полупроводниковых материалов. Светодиоды выпускаются красного (1,8 эВ GaP: ZnO, GaAs 0,6 P 0,4 ), оранжевого (GaAs 0,35 P 0,65 ), желтого (GaAs 0,14 P 0,86 ), зеленого (2,3 эВ GaP, ZnTe), голубого (2,4 эВ GaAs-ErYb, SiC, CdS), фиолетового (2,8 эВ GaN) цветов свечения. На рисунке приведены спектральные характеристики светодиодов видимого и инфракрасного диапазонов с указанием стехиометрии полупроводниковых соединений.

Конструктивные особенности светодиодов Конструктивно в светодиодах используют полупроводниковые структуры с плоской геометрией, изготовленные по планарной технологии.

Полная эффективность преобразования η F электрического сигнала в оптический дается следующим выражением: На рисунке 10.6(в, г, д) показаны поперечные разрезы светодиодов, которые имеют параболическую, полусферическую и усеченно- сферическую геометрию. Основное отличие этих трех структур от структуры с плоской геометрией состоит в том, что телесный угол для них равен 1. Таким образом, отношение эффективностей равно:

Светодиоды инфракрасного диапазона Областями применения светодиодов ИК-излучения являются оптроэлектронные устройства коммутации, оптические линии связи, системы дистанционного управления. Наиболее распространенный в настоящее время инфракрасный источник это светодиод на основе GaAs (λ = 0,9 мкм). Он обладает наибольшей эффективностью электролюминесценции в oсновном благодаря тому, что среди всех прямозонных полупроводников GaAs является технологически наиболее освоенным. Для изготовления инфракрасных светодиодов используются многие другие полупроводники, имеющие запрещенную зону шириной менее 1,5 эВ. К ним относятся твердые растворы, в состав которых входят три или четыре элемента III и V групп периодической системы.

Голубые светодиоды на соединениях нитрида галлия Нитриды элементов третьей группы (GaN, AlN, InN) и тройные соединения на их основе являются широкозонными полупроводниками с прямыми оптическими переходами. Нитрид галлия и тройные соединения на его основе являются наиболее перспективными материалами для изготовления голубых светодиодов и светодиодов ультрафиолетовой области света.

Рабочая структура синих и зеленых светодиодов на основе соединений GaN приведена на рисунке 10.9: Рабочая структура синих и зеленых светодиодов на основе соединений GaN приведена на рисунке 10.9: В синих светодиодах используется активный слой In 0,06 Ga 0,94 N, легированный цинком (рис. 10.9а). В зеленых светодиодах активный слой толщиной 3 нм имеет состав In 0,2 Ga 0,8 N. При реализации зеленого светодиода был использован гетеропереход p-AlGaN и n-GaN, выращенный на сапфире.

Применение светодиодов на основе нитрида галлия Возможность создания экономичных и долговечных светодиодов на основе нитрида галлия, согласованных по спектру с естественным освещением и чувствительностью человеческого глаза, открывает новые перспективы для их нетрадиционного использования. Среди них использование светодиодов в транспортных многосекционных светофорах, индивидуальных микромощных лампочках освещения (при мощности 3 Вт световой поток составляет 85 Лм), в осветительных приборах автомобилей. Возможность создания экономичных и долговечных светодиодов на основе нитрида галлия, согласованных по спектру с естественным освещением и чувствительностью человеческого глаза, открывает новые перспективы для их нетрадиционного использования. Среди них использование светодиодов в транспортных многосекционных светофорах, индивидуальных микромощных лампочках освещения (при мощности 3 Вт световой поток составляет 85 Лм), в осветительных приборах автомобилей.

Полупроводниковые лазеры Полупроводниковым лазером называют оптоэлектронное устройство, генерирующее когерентное излучение при пропускании через них электрического тока.

Генерация стимулированного когерентного излучения, или лазерный эф- фект, была разработана для газовых лазеров и хорошо описана, используя представление об электронных уровнях в атомных системах. Генерация стимулированного когерентного излучения, или лазерный эф- фект, была разработана для газовых лазеров и хорошо описана, используя представление об электронных уровнях в атомных системах. Энергетические уровни: E1 характеризует основное E2 возбужденное состояние Энергетические уровни: E1 характеризует основное E2 возбужденное состояние

Базовая структура лазера с p-n переходом Две боковые грани структуры скалываются или полируются перпендикулярно плоскости перехода. Две другие грани делаются шероховатыми для того, чтобы исключить излучение в направлениях, не совпадающих с главным. Такая структура называется резонатором Фабри Перо. Две боковые грани структуры скалываются или полируются перпендикулярно плоскости перехода. Две другие грани делаются шероховатыми для того, чтобы исключить излучение в направлениях, не совпадающих с главным. Такая структура называется резонатором Фабри Перо.

Принцип действия полупроводникового лазера Принцип действия полупроводникового лазера, как и светодиода основан на излучательной рекомбинации инжектированных носителей в прямосмещенном p-n переходе а) зонная структура при отсутствии смещения б) зонная структура при смещении в прямом направлении а) зонная структура при отсутствии смещения б) зонная структура при смещении в прямом направлении

Лазеры на гетероструктурах С целью уменьшения пороговой плотности тока были реализованы лазеры на гетероструктурах (с одним гетеропереходом – n-GaAs–pGe, p-GaAs– nAlxGa1-xAs; c двумя гетеропереходами – n-AlxGa1-xAs – p-GaAs – p+-AlxGa1- xAs). Использование гетероперехода позволяет реализовать одностороннюю инжекцию при слаболегированном эмиттере лазерного диода и существенно уменьшить пороговый ток. С целью уменьшения пороговой плотности тока были реализованы лазеры на гетероструктурах (с одним гетеропереходом – n-GaAs–pGe, p-GaAs– nAlxGa1-xAs; c двумя гетеропереходами – n-AlxGa1-xAs – p-GaAs – p+-AlxGa1- xAs). Использование гетероперехода позволяет реализовать одностороннюю инжекцию при слаболегированном эмиттере лазерного диода и существенно уменьшить пороговый ток. Структура полупроводникового лазера на двойном гетеропереходе Чередование слоев в лазерной двойной n–p–p+ гетероструктуре

Зонные диаграммы Зонная диаграмма двойной гетероструктуры при нулевом напряжении Зонная диаграмма двойной гетероструктуры при нулевом напряжении Зонная диаграмма двойной гетероструктуры в активном режиме генерации лазерного излучения Зонная диаграмма двойной гетероструктуры в активном режиме генерации лазерного излучения

Зависимость пороговой плотности тока от температуры для различных типов полупроводниковых лазеров Самая слабая зависимость от температуры наблюдается для лазеров на двойных гетероструктурах (ДГ- лазерах). Поскольку Jth в ДГ- лазерах при 300 К может достигать значений порядка 10 3 А/см 2 и менее, оказывается возможным реализовать режим непрерывной генерации при комнатной температуре. Благодаря этому лазеры нашли широкое применение в науке и промышленности, в частности в ВОЛС. Срок службы лазеров на двойных гетероструктурах достигает 5·10 5 часов. Срок службы лазеров на двойных гетероструктурах достигает 5·10 5 часов.

Гетеропереходы Гетеропереходом называют контакт двух полупроводников различного вида и разного типа проводимости, например, pGe – nGaAs. Отличие гетеропереходов от обычного p-n перехода заключается в том, что в обычных p-n переходах используется один и тот же вид полупроводника, например, pSi – nSi. Гетеропереходом называют контакт двух полупроводников различного вида и разного типа проводимости, например, pGe – nGaAs. Отличие гетеропереходов от обычного p-n перехода заключается в том, что в обычных p-n переходах используется один и тот же вид полупроводника, например, pSi – nSi. Поскольку в гетеропереходах используются разные материалы, необходимо, чтобы у этих материалов с высокой точностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения (ТКР) и постоянная решетки. С учетом сказанного количество материалов для гетеропереходов ограничено. Наиболее распространенными из них являются германий Ge, арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP, четырехкомпонентный раствор InGaAsP.

В зависимости от ширины запрещенной зоны Eg, электронного сродства χ и типа легирования узкозонной и широкозонной областей гетероперехода возможны различные комбинации Eg и χ. На рисунке 2.18 показаны эти комбинации при условии равенства термодинамических работ выхода.

Построение зонных диаграмм гетеропереходов Для построения зонных диаграмм, детального анализа распределения электрического поля и потенциала в области пространственного заряда гетероперехода, а также величины и компонент электрического тока для гетеропереходов необходимо учитывать, что у различных полупроводников будут отличаться значения электронного сродства χ, ширины запрещенной зоны Е g и диэлектрической проницаемости ε s. Для построения зонных диаграмм, детального анализа распределения электрического поля и потенциала в области пространственного заряда гетероперехода, а также величины и компонент электрического тока для гетеропереходов необходимо учитывать, что у различных полупроводников будут отличаться значения электронного сродства χ, ширины запрещенной зоны Е g и диэлектрической проницаемости ε s. При построении зонной диаграммы гетероперехода учтем следующие факторы: 1. Уровень вакуума Е = 0 непрерывен. 2. Электронное сродство в пределах одного сорта полупроводника χGe и χGaAs постоянно. 3. Ширина запрещенной зоны Eg в пределах одного сорта полупроводника остается постоянной. При построении зонной диаграммы гетероперехода учтем следующие факторы: 1. Уровень вакуума Е = 0 непрерывен. 2. Электронное сродство в пределах одного сорта полупроводника χGe и χGaAs постоянно. 3. Ширина запрещенной зоны Eg в пределах одного сорта полупроводника остается постоянной. Для примера приведем в контакт германий pGe и арсенид галлия nGaAs.

С учетом вышеперечисленного в процессе построения зонной диаграммы гетероперехода при сращивании дна зоны проводимости E C этих полупроводников на металлургической границе перехода на зонной диаграмме образуется «пичок». Величина «пичка» ΔE C равна: При сшивании вершины валентной зоны Е V в области металлургического перехода получается разрыв ΔE V. Величина «разрыва» равна: При сшивании вершины валентной зоны Е V в области металлургического перехода получается разрыв ΔE V. Величина «разрыва» равна: Из приведенных соотношений следует, что суммарная величина «пичка» ΔE C и «разрыва» ΔE V составляет: Из приведенных соотношений следует, что суммарная величина «пичка» ΔE C и «разрыва» ΔE V составляет:

На рисунке 2.19 приведена построенная таким образом зонная диаграмма гетероперехода p-Ge – n-GaAs. На рисунке 2.19 приведена построенная таким образом зонная диаграмма гетероперехода p-Ge – n-GaAs.

Рассмотрим зонную диаграмму гетероперехода из этих же материалов (германия и арсенида галлия), но с другим типом проводимости – p-GaAs – n-Ge. Используем те же самые принципы при построении этой зонной диаграммы. Получаем, что в этом случае «разрыв» наблюдается в энергетическом положении дна зоны проводимости и величина этого «разрыва» ΔE C равна: «Пичок» наблюдается в области металлургического перехода для энергии вершины валентной зоны E V. Величина «пичка» ΔE V равна: «Пичок» наблюдается в области металлургического перехода для энергии вершины валентной зоны E V. Величина «пичка» ΔE V равна:

На рисунке 2.20 приведена построенная таким образом зонная диаграмма гетероперехода p-GaAs – n-Ge. На рисунке 2.20 приведена построенная таким образом зонная диаграмма гетероперехода p-GaAs – n-Ge.

Аналогичным образом можно построить зонные диаграммы для гетеропереходов при любых комбинациях уровней легирования, ширины запрещенной зоны и электронного сродства.

Распределение электрического поля и потенциала в ОПЗ Распределение электрического поля и потенциала в области пространственного заряда для гетероперехода будет как и в случае p-n перехода, но с различными значениями диэлектрических постоянных ε s для левой и правой частей. Решение уравнения Пуассона в этом случае дает следующие выражения для электрического поля E, потенциала ψ и ширины обедненной области W 1n и W 2p при наличии внешнего напряжения:

Полная ширина области пространственного заряда гетероперехода W, равная W = W 1n + W 2p, будет описываться следующим уравнением: Полная ширина области пространственного заряда гетероперехода W, равная W = W 1n + W 2p, будет описываться следующим уравнением: Высота потенциального барьера в гетеропереходе Δφ 0 будет определяться суммой потенциалов для каждой из областей гетероперехода: Функциональная зависимость электрического поля и потенциала в области пространственного заряда гетероперехода от координаты будет соответственно линейной и квадратичной, как и в случае p-n перехода. Скачок электрического поля в гетеропереходе на металлургической границе обусловлен различными значениями диэлектрических постоянных ε 1 и ε 2. В этом случае, согласно теореме Гаусса:

На рисунке 2.22 показаны распределения электрического поля и потенциала в области пространственного заряда гетероперехода.

Зонная диаграмма гетероперехода при приложении внешнего напряжения Как и в случае p-n перехода, знак напряжения будет определяться знаком приложенного напряжения на p-область гетероперехода. На рисунке 2.23 приведены зонные диаграммы при положительном и отрицательном напряжениях на гетеропереходе n-Ge p-GaAs.

ВАХ гетероперехода Расчет вольт-амперных характеристик гетероперехода проводится исходя из баланса токов термоэлектронной эмиссии, т.е. для ВАХ гетероперехода получаем следующую зависимость: Расчет вольт-амперных характеристик гетероперехода проводится исходя из баланса токов термоэлектронной эмиссии, т.е. для ВАХ гетероперехода получаем следующую зависимость: Для различных типов гетеропереходов экспоненциальная зависимость тока от напряжения в виде предложенного выше выражения сохраняется, выражение для тока Js модифицируется. Для различных типов гетеропереходов экспоненциальная зависимость тока от напряжения в виде предложенного выше выражения сохраняется, выражение для тока Js модифицируется.

Односторонняя инжекция в гетеропереходах Для гетеропереходов типа p-Ge n-GaAs легко реализовать одностороннюю инжекцию, даже в случае одинакового уровня легирования в эмиттере p-Ge и базе n-GaAs гетероперехода. При прямом смещении отношение дырочной Jp и электронной Jn компонент инжекционного тока будет определяться отношением концентрации неосновных носителей: Поскольку арсенид галлия – более широкозонный полупроводник, чем германий, то собственная концентрация в арсениде галлия (n i2 ) будет много меньше, чем в германии (n i1 ), следовательно, дырочная компонента Jp инжекционного тока будет много меньше, чем электронная компонента Jn. Поскольку арсенид галлия – более широкозонный полупроводник, чем германий, то собственная концентрация в арсениде галлия (n i2 ) будет много меньше, чем в германии (n i1 ), следовательно, дырочная компонента Jp инжекционного тока будет много меньше, чем электронная компонента Jn.

Двумерный электронный газ На зонной диаграмме гетеропереходов видно, что в области «пичка» для электронов или дырок реализуется потенциальная яма. В этом случае электронный газ локализован в узкой пространственной области вблизи металлургической границы гетероперехода. На зонной диаграмме гетеропереходов видно, что в области «пичка» для электронов или дырок реализуется потенциальная яма. В этом случае электронный газ локализован в узкой пространственной области вблизи металлургической границы гетероперехода.

Спасибо за внимание!