Физические основы работы светоизлучающих диодов

Рис. 1. Потери при выводе оптического излучения из активной области.

Потери на полное внутреннее отражение (лучи 2 на рис. 1). При падении излучения на границу раздела оптически более плотной' среды (полупроводник) с оптически менее плотной (воздух) для части излучения выполняется условие полного внутреннег

о отражения. Эта- часть излучения, отразившись внутрь кристалла, в конечном счете, теряется за счет самопоглощения.

Полное внутреннее отражение может сильно ограничивать внешний квантовый выход СИД. Этот эффект особенно ярко выражен в полупроводниках с прямыми переходами, где почти все излучение, претерпевшее полное внутреннее отражение, поглощается. В полупроводниках с непрямыми переходами внутреннее поглощение гораздо слабее и, следовательно, излучение имеет большую вероятность дойти до какой-либо поверхности кристалла диода. Потери при прохождении света внутри диодной структуры примерно пропорциональны V/Sx0, где x0 - глубина поглощения, V - объем, S - площадь полной поверхности кристалла СИД.

Потери в полупроводниках обоих типов обусловлены высокими показателями преломления материалов, используемых для СИД (n≈3.3-3.8), и возрастают при уменьшении ширины запрещенной зоны. Излучение, падающее на поверхность под углом 0, превышающий критический угол, претерпевает полное внутреннее отражение. Излучение, падающее под углом, меньшим критического, также частично отражается от непросветленной поверхности. Это френелевские потери. Если на поверхность полупроводника нанести диэлектрическую пленку с соответствующими значениями толщины и показателя преломления, то она будет оказывать просветляющее действие и коэффициент пропускания увеличится; критический угол при этом практически не изменяется.

1. Потери на обратное и торцевое излучение (лучи 3 и 4 на рис 1). Генерация в активной области полупроводника спонтанная и характеризуется тем, что лучи направлены равновероятно во все стороны. Лучи 3, распространяющиеся в сторону эмиттера, быстро поглощаются. Активная область нередко слегка отличается значением показателя преломления от соседних областей. Поэтому лучи 4 вследствие многократных отражений фокусируются вдоль активной области, так что интенсивность торцевогоIизлучения выше, чем в других направлениях выхода света из кристалла. Количественно эффективность вывода оптического излучения из СИД характеризуется коэффициентом вывода ηопт и определяется отношением мощности излучения, выходящего из СИД, к мощности излучения, которая генерируется внутри кристалла:

ηопт = Pизл Pген

Таким образом, внешний квантовый выход ηопт - это интегральный показатель излучательной способности СИД, который учитывает эффективность инжекции γ, электролюминесценции ηэ и вывода излучения ηопт в создании оптического излучения. Иначе, внешний квантовый выход η. определяется отношением числа излучаемых квантов к числу проходящих за то же время через СИД носителей заряда:

η = Nф Nэ

СИД на основе гетероструктур. Наилучшие параметры излучения имеют СИД, изготовленные на основе гетероструктур (или гетеропереходов). Рассмотрим основные особенности гетероструктуры более подробно, так как она является базой для изготовления многих типов оптоэлектронных приборов.

Гетеропереходом называют переходный слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь одинаковый или различный тип электропроводности, и, соответственно, каждая пара полупроводников может образовать четыре гетероструктуры: p1-n2, n1-n2, n1-p2, p1-p2 Здесь индекс 1 относится к полупроводнику с широкой запрещенной зоной (широкозонный полупроводник), а индекс 2 - к полупроводнику с узкой зоной (узкозонный полупроводник).

При образовании гетероперехода происходит перераспределение носителей заряда, что приводит к появлению контактной разности потенциалов. Уровень Ферми для гетероструктуры в равновесном состоянии единый. На рис. 2 изображены энергетические диаграммы излучающей гетероструктуры GaAlAs-GaAs в состоянии равновесия. На металлургической границе перехода образуется разрыв (скачок) энергии Таким образом, гетероструктура имеет различные потенциальные барьеры для инжектируемых дырок и электронов.

Движение носителей в равновесном состоянии гетероструктуры определяется носителями заряда только одного типа (для гетероструктуры на рис. 2 -электронами). Поэтому при приложении прямого напряжения имеет место. односторонняя инжекция - только электронов из широкозонного слоя (эмиттера) в узкозонный слой (базу). Такая структура, содержащая широкозонный эмиттер и узкозонную базу, называется одинарной гетероструктурой. Наряду с одинарной в СИД используется двойная гетероструктура, в которой имеется дополнительно запирающий широкозонный Р3-слой того же, что и база, типа проводимости (рис. 3). В двойной гетероструктуре второй потенциальный барьер препятствует выходу электронов из базовой области (зона базы образует потенциальную «яму», в которой скапливаются инжектированные электроны). Избыточная, концентрация носителей в активной, (излучающей) области и односторонняя инжекция резко повышают внутренний квантовый выход гетероструктуры, а также ее быстродействие.

В самом деле, использование двойной гетероструктуры обеспечивает локализацию инжектированных носителей зарядов в базе при уменьшении ее ширины вплоть до нескольких микрометров. Это и позволяет при сохранении внутреннего квантового выхода значительно повысить быстродействие двойных гетероструктур. В одинарной гетероструктуре при уменьшении ширины базы мощность излучения резко падает, а быстродействие растет незначительно. Для лучших образцов на одинарной гетероструктуре внешний квантовый выход 3-4% а время переключения 40-80 не; двойные гетероструктуры имеют примерно такое же значение внешнего квантового выхода, а время переключения 20-30 нс. Важно подчеркнуть, что односторонняя инжекция не связана со степенью легирования эмиттерной и базовой областей, как это имеет место в обычном (гомогенном) переходе. В результате она сохраняется до значительных плотностей тока и появляется возможность изменения степени легирования областей гетероструктуры без ухудшения инжекции р-n переходов.

Рис 4. Спектральные характеристики базы и эмиттера гетероструктуры

Другой отличительной особенностью гетероструктур является разница в оптических свойствах базы и эмиттера. В результате спектральная характеристика излучения узкозонной базы оказывается сдвинутой в область длинных волн по отношению к спектральной характеристике поглощения широкозонного эмиттера (рис. 4). Поэтому излучение выводится из СИД через эмиттер практически без поглощения.

В излучателях с двойной гетероструктурой и удаленной подложкой сказывается явление многократного отражения («многопроходный эффект»). Лучи, претерпевающие на внешней границе кристалла гетероструктуры полное внутреннее отражение, многократно отразившись, от различных граней кристалла, в конце концов, падают на внешнюю границу под таким углом, который дает возможность им выйти наружу. Очевидно, что многопроходный эффект является полезным только в том случае, если поглощение излучения в полупроводнике мало. Поглощение в узкозонной базе удается несколько компенсировать с помощью фотолюминесценции: поглощение кванта излучения ведет к новому акту излучения.

 Скачать реферат