1.3 Светоизлучающие диоды на основе многокомпонентных наногетероструктур
Источники оптического излучения весьма разнообразны. Однако большинство из них не удовлетворяют всей совокупности современных требовании и находят применение лишь в отдельных устройствах, главным образом в индикаторных приборах.
При оценке перспективности того или иного источника определяющую роль играет агрегатное состояние активного светящегося вещества или вещества, заполняющего рабочий объем. Из всех возможных вариантов – вакуум, газ, жидкость, твердое тело – предпочтение отдается твердотельному, а "внутри" него – монокристаллическому как обеспечивающему наибольшую долговечность и надежность приборов. Одними из твердотельных источников оптического излучения являются СИД, основанные на принципе спонтанно инжекционной электролюминесценции.
При подаче прямого смещения концентрация неосновных носителей у границ р–n–перехода резко повышается и становится значительно выше равновесной. К инжектированным неосновным носителям подтягиваются основные и их концентрация у границ р–n–перехода становится выше равновесной. Диффундируя в глубь полупроводника, неравновесные носители рекомбинируют, проникая в среднем на расстояние диффузионной длины от слоя объемного заряда р–n перехода. Если при этом существенная доля актов рекомбинации происходит с излучением света, то, создав условия для выхода этого излучения наружу, полупроводниковый диод можно использовать как источник излучения. Такой диод называют светоизлучающим диодом. Особенно широкое применение в последние годы получили источники видимого света. Человеческий глаз чувствует излучение в диапазоне от 0,45 до 0,7 мкм для энергии квантов от 1,8 до 2,8 эВ, Видимое излучение с длиной волны менее 720 нм можно получить лишь от широкозонных полупроводников с шириной запрещенной зоны Eg более 1,72 эВ. Таким образом, для источников видимого света нужны полупроводники с шириной запрещенной зоны от 1,8 до 2,8 эВ или больше, если используются не межзонные переходы, а излучательные переходы через глубокие примесные уровни.
Наилучшие параметры излучения имеют СИД на основе многокомпонентных наногетероструктур (МКНГ). Гетеропереходом называется 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 образовывать четыре МКНГ: p1 – n2, n1 – n2, n1 – р2, p1 – р2. Здесь индекс 1 относится к полупроводникам с широкои запрещеннои зоной (широкозонный полупроводник, а индекс 2 – к полупроводнику с узкой зоной. При образовании гетероперехода происходит перераспределение носителей заряда, что приводит к появлению контактной разности потенциалов.
Односторонняя инжекция в гетеропереходах 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 МКНГ без ухудшения инжекции р–n–переходов. Одним из способов повышения коэффициента инжекции является создание гетеропереходов, которые в общем виде представляют собой границу раздела между полупроводниками с различнои шириной запрещенной зоны. Энергетическая диаграмма структуры с одним гетеропереходом между широкозонной n–областью и узкозонной р–областью (ширина приведена в соответствии с рисунком 5.
Рисунок 5 – Энергетическая диаграмма p–n перехода
В этом случае в энергетической диаграмме р–n гетероперехода возникают разрывы и в валентной зоне, и в зоне проводимости, при этом в МКНГ реализуется практически односторонняя инжекция носителей из широкозонной области в узкозонную область.
Другой отличительной особенностью МКНГ 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. Поэтому излучение выводится из СИД через эмиттер практически без поглощения.
В излучателях с двойной МКНГ и удаленной подложкой сказывается явление многократного отражения – «многопроходный эффект». Лучи, претерпевающие на внешней границе кристалла МКНГ 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. 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 ведет к новому акту излучения.
В односторонних р–n и n–р гетеропереходах инжектированные неосновные носители заряда в узкозонной области рекомбинируют с основными носителями на расстоянии в пределах от границы перехода до трех значений диффузионной длины электронов в р–области Ln или дырок Lp в n–области.
Для увеличения концентраций инжектированных электронов и дырок в АО при данной величине плотности тока Ж.И. Алферовым и его сотрудниками в 60–х годах была теоретически предложена и практически реализована концепция двусторонней МКНГ, в которой толщина АО может быть много меньше значениий диффузионных длин носителей заряда.
В соответствии с рисунком 6 показана энергетическая диаграмма двусторонней МКНГ,
Рисунок 6 – Энергетическая диаграмма прямосмещенного двустороннего гетероперехода pGaN/pAlGaN/InGaN/nAlGaN/nGaN с InGaN активным слоем
В первых коммерческих СИД синего цвета свечения на основе двусторонних МКНГ, типа pGaN/pAlGaN/lnGaN/nAlGaN/nGaN, описанных выше, активный р–слой InGaN имел толщину 20 нм и был легирован Zn. Однако было установлено, что подобная конструкция узкозонной АО имеет недостатки, в частности, сильное легирование акцепторами,Zn или Mg, сопровождается образованием комплексов, например, Mg–Н, присутствие которых увеличивает скорость безызлучательной рекомбинации носителей заряда и, следовательно, уменьшает внутренний квантовый выход излучения. Принципиальное улучшение свойств АО было достигнуто благодаря уменьшению ее толщины до 2–3 нм и отказу от ее преднамеренного легирования. При этом активная узкозонная область InGaN приобретает своиства одиночной КЯ, в которой при рабочей плотности тока достигаются высокие концентрации инжектированных электронов и дырок и высокий внутренний квантовый выход излучения.
Все преимущества гетеропереходов достижимы только при его высоком качестве. Для получения качественного гетероперехода необходимо иметь хорошее совпадение параметров структуры.
Значительные результаты по разработке СИД для синей, зеленой части видимого спектра были достигнуты методом МОСГФЭ в системе AlInGaN группой компании Nichia. В работах [11–14] было показано, что на основе МКНГ InGaN/AlGaN/GaN с тонким 2 – 3 нм активным слоем из InGaN возможно создание СИД в указанной спектральной области с внешним квантовым выходом до 40 %, так как твердые растворы GaN с AlN и InN обеспечивают перекрытие области длин волн от 200 нм до 640 нм.
Для твердых растворов InxGa1–xN и AlxGa1–xN характерно линейное изменение периода решетки от состава.
Значение ширины запрещенной зоны твердых растворов InxGa1–xN перекрывает диапазон от 1,95 до 3,4 эВ, и они могут быть использованы в качестве АО светоизлучающих МКНГ в синей и зеленой областях спектра.
Среди факторов, влияющих на механизмы излучательной рекомбинации и на квантовый выход излучения в МКНГ InxGa1–xN /AlyGa1–yN /GaN существенны квантово–размерные и туннельные эффекты, флуктуации потенциалов в КЯ и легирование прилегающих широкозонных областей [15,16]. Представлена энергетическая диаграмма МКНГ InxGa1–xN / AlyGa1–yN /GaN [15], в соответствии с рисунком 7.
Рисунок 7 – Энергетическая диаграмма гетероструктур