Книги по разным темам
Pages: | 1 | ... | 6 | 7 | 8 | 9 | Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Светодиоды на основе твердых растворов GaSb для средней инфракрасной области спектра... Светодиоды типа I наиболее сильно излучают в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода (рис. 41, кривая 1). Интенсивность излучения плавно спадает при увеличении угла отклонения от этого направления и при = 90 cоставляет 10Ц20% от значения при = 0.
Диаграммы направленности светодиодов типов II, III и IV, в которых кристалл припаян к держателю эпитаксиальной стороной, имеет минимум при = (рис. 41, кривые 2Ц4). Наиболее сильно это выражено для светодиодов типа II (рис. 41, кривая 2), имеющих форму параллелепипеда с квадратным основанием 500 500 мкм и высотой 380 мкм. При = 75 интенсивность излучения в 2.2 раза больше, а при = в 1.5 раза больше, чем при нулевом угле.
Для светодиодов типа III, в которых подложечная Рис. 40. Спектры излучения светодиодов типа IV, измеренные в двух направлениях: перпендикулярном (1) и параллель- часть подвергнута глубокому травлению, характерны ном (2) плоскости p-n-перехода.
меньшие углы ( 60), при которых интенсивность излучения максимальна (рис. 41, кривая 3). Величина интенсивности в максимуме только в 1.5 раза больше, чем при нулевом угле.
Наиболее слабо центральный минимум выражен в диаграмме направленности светодиодов типа IV (рис. 41, кривая 4) с кристаллом в форме ступенчатой пирамиды общей высотой 200 мкм. Для этих светодиодов характерна слабая зависимость интенсивности излучения от угла.
Мощность излучения исследуемых светодиодов в зависимости от тока представлена на рис. 42. При малых токах до 10 мА для светодиодов I типа и до 75 мА для других светодиодов зависимость сверхлинейная, а при больших токах переходит в сублинейную. При токах I > 250 мА мощность излучения светодиодов I типа начинает уменьшаться с ростом тока, что связано с сосредоточением излучения под омическим контакРис. 41. Диаграмма направленности излучения в плоскости том с соответствующим увеличением скорости ожепараллельной боковой грани, для светодиодов с различной формой кристалла: 1 ЧI, 2 ЧII, 3 Ч III, 4 ЧIV.
Интенсивность излучения светодиода II типа (рис. 38) в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, чуть меньше, чем в параллельном. Светодиоды III и IV типов (рис. 39, 40) имели интенсивности излучения в обоих направлениях приблизительно одинаковые.
Это равенство обеспечивается малой средней толщиной кристалла в светодиодах типов III и IV и говорит об однородности потока излучения в кристаллах. Ненаправленность потоков в светодиодах типов III и IV хорошо поддерживается также за счет отражения излучения от сглаженных стыков граней.
Для каждой формы светодиодного кристалла характерно свое распределение излучения в дальней зоне (рис. 41). При увеличении угла отклонения свыше Рис. 42. Зависимость мощности излучения от тока светодиинтенсивность излучения резко падает для светодиодов одов с формой кристалла различного вида: 1 Ч I, 2 Ч II, всех типов из-за затенения кристаллодержателем. 3 Ч III, 4 ЧIV.
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1308 Т.Н. Данилова, Б.Е. Журтанов, А.Н. Именков, Ю.П. Яковлев рекомбинации. Среди светодиодов разных конструкций Результирующее уравнение баланса спектрального расэти светодиоды имеют наименьшую мощность при токах пределения фотонов имеет более 10 мА (рис. 42, кривая 1). Наибольшая мощ ность излучения достигнута для светодиодов типа IV d(d /d) din I d = + c d (рис. 42, кривая 4): при токе 300 мА она составляет dt d e d 7 мВт. Светодиоды типа IV имели также самый большой дифференциальный квантовый выход фотонов, который d - c( + d + e) = 0. (8) достигал величины 5.1% при токе 75 мА. Светодиоды d типов II и III имели дифференциальный квантовый выход 3.2 и 4.1% соответственно также при токе 75 мА. Из уравнения (8) определяется спектр потока излучеМаксимальный дифференциальный квантовый выход фо- ния, выходящего из кристалла:
тонов светодиодов типа I составлял 3.8% при токе 10 мА.
dPe d Из приблизительного равенства внешнего квантового = ce d d выхода излучения светодиодов типов I и II следует, что контакты, покрывающие всю p-поверхность в светоди- din I d одах типа II и только малую ее часть в светодиодах = e + c d ( + d + e)-1. (9) d e d типа I, являются практически непоглощающими. Кроме того, контакты диффузно отражают фотоны, так как Из выражения (9) следует, что спектр выходящего изповерхность между полупроводником и металлом не лучения не зависит от переизлучения, поскольку переизявляется оптически гладкой. Поэтому металлические контакты способствуют ненаправленности светового по- лучение в этом выражении представлено определенным интегралом по от 0 до, т. е. имеет определенное тока в кристалле.
численное значение. Спектр выходящего излучения заБыли выведены теоретические формулы для спектра висит от спектра первоначального рекомбинационного выходящего излучения и внешнего квантового выхода излучения din/d и от спектра поглощения кристалла фотонов, основанные на том, что спектр выходяще( + d + e). Величины d и e почти не изменяются го излучения определяется спектром первоначального в пределах длин волн большей части первоначального рекомбинационного излучения и спектром поглощения излучения. Коэффициент фотоактивного поглощения кристалла. Выведенные соотношения показывают, что сильно увеличивается с уменьшением длины волны и внешний квантовый выход фотонов определяется отможет уменьшить долю коротковолнового излучения ношением световыводящей площади кристалла к его в выходящем излучении. Это происходит в области объему.
длин волн d + e. Такое разбиение области кристалл, и только часть из них выходит наружу. Есинтегрирования позволяет вычислить приблизительно ли обозначить общее количество фотонов в кристалле определенный интеграл, входящий в выражение (9),, то спектр излучения внутри кристалла выражается умножив (9) на /e и проинтегрировав по. В резульфункцией d /d. Фотоны возникают за счет рекомбинатате получается выражение ции электронно-дырочных пар, образующихся не только вследствие инжекции при прохождении электрическо- d s I го тока I, но также вследствие межзонного и квазиc d =, (10) d 1 - se межзонного поглощения циркулирующих в кристалле фотонов. Скорость генерации электронно-дырочных пар где s Ч внутренний квантовый выход коротковолновследствие фотоактивного поглощения можно выразить вых фотонов с поглощения, c Ч скорость света в кристалле. Спектр l поглощения кристалла складывается из фотоактивного ext =, (11) 1 - s 1 + d/e поглощения, поглощения потерь, включающих поглощение в металлических контактах, d, и эффективного где l Ч внутренний квантовый выход длинноволновых поглощения, e, характеризующего выход излучения фотонов с >b. наружу. Спектральное распределение первоначального Из выражения (11) следует, что для увеличения рекомбинационного излучения выражается функцией внешнего квантового выхода фотонов ext требуется не только увеличить внутренний квантовый выход длинноdin/d, причем (din/d)d = in есть внутренний волновых (l) и коротковолновых (s ) фотонов, но и квантовый выход излучения. Предполагалось, что из- эффективный коэффициент поглощения e, характерилучение в кристалле не обладает направленностью. зующий выход фотонов из кристалла. При s + l = 1 и Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Светодиоды на основе твердых растворов GaSb для средней инфракрасной области спектра... d/e 1 ext близок к 1, что говорит о возможности ломления n = 3.9 [32]. Вычисленный по формуле (13) трансформации коротковолновой полосы в длинновол- эффективный коэффициент поглощения, обусловленный новую без потерь количества фотонов. Для определения выходом излучения из кристалла, составил 1.13 см-1 для e было учтено, что вблизи различных участков поверх- светодиодов I и II типов, 1.3см-1 для светодиодов III тиности кристалла dS может быть различная плотность па и 1.79 см-1 для светодиодов IV типа. Теоретический фотонов d /dV. C учетом того что фотоны пересе- внешний квантовый выход фотонов оказался близким к кают поверхность только в угле полного внутреннего измеренному в светодиодах всех типов. отражения и испытывают частичное отражение внутрь Несмотря на то, что светодиоды III и IV типов кристалла, было найдено выражение для e в случае, излучают только в длинноволновой полосе, в отличие когда коэффициент преломления кристалла n 1: от светодиодов I типа, излучающих еще и к тому же более интенсивно в коротковолновой полосе, они 1 d dS имеют больший внешний квантовый выход излучения. e =. (12) dV n(n + 1)Это говорит об осуществлении трансформации коротS коволновой полосы в длинноволновую с сохранением и При равномерном распределении фотонов и оптичедаже преумножением общего количества фотонов. Преской однородности кристалла выражение (12) упрощаумножение объясняется эффективным переизлучением. ется: Внешний квантовый выход фотонов увеличивается с роS e =. (13) стом отношения площади световыводящей поверхности V n(n + 1)к объему кристалла светодиода. Из формулы (13) следует, что e можно увеличить, увеличив отношение S/V, Ч например, делая кристалл 8. Заключение тоньше. Изменение формы кристалла с кубической на полусферическую увеличивает e в 1.5 раза. Кривизна Основными результатами цикла работ являются сосферической поверхности способствует равномерности здание и исследование светодиодов на основе полупрораспределения и ненаправленности излучения в криводникового соединения GaSb и его твердых раствосталле, в то время как плоские ортогональные грани ров GaInAsSb и AlGaAsSb для средней инфракрасной куба этому не способствуют и уменьшают e. Мезаобласти спектра (1.6-4.4мкм). Светодиодные структуструктура, вытравленная на одной из граней светодиры изготавливались методом жидкофазной эпитаксии, ода, способствует ненаправленности излучения. Более позволяющим выращивать изопериодичные с подложкой радикально это могли бы делать выпуклости или впаслои достаточной толщины. дины на всей поверхности кристалла, которые еще и Твердые растворы GaInAsSb и AlGaAsSb, образующие увеличивают поверхность кристалла, что приводит к активный и ограничивающие слои, принципиально могут дополнительному росту e. Металлические контакты совпадать по параметру кристаллической решетки с закрывают часть поверхности, уменьшая e. Кроме того, подложкой GaSb в широком интервале составов. Эксони могут поглощать излучение и тем самым сильно периментально величина рассогласования находилась в увеличивать d. Положительную роль может сыграть пределах a/a = 2 10-3-2 10-4. Излучающие струкдиффузное отражение излучения от металлизированной туры выращивались на подложках GaSb n-типа провоповерхности излучения, переориентирующее потоки фодимости, легированных Те до концентрации электронов тонов. Малая средняя толщина кристалла в светодиодах (7-8) 1017 см-3 и ориентированных в большинстве типов III и IV обеспечивает равенство интенсивнослучаев в кристаллографической плоскости (100). Создастей излучения в направлениях, перпендикулярном и ны структуры, как несимметричные, когда на подложке параллельном плоскости p-n-перехода (рис. 38, 39). Это GaSb выращивался активный слой GaInAsSb, а затем равенство говорит об однородности потока излучения в широкозонный слой AlGaAsSb, так и симметричные, кристаллах. Ненаправленность в них хорошо поддержикогда активный слой с двух сторон ограничивался вается при отражении излучения от сглаженных стыков широкозонными слоями AlGaAsSb. Широкозонные слои граней. Поэтому условия приведенного теоретического выращивались с большим содержанием Al, до 64%, что рассмотрения можно считать выполненными в светодиявляется рекордным для метода жидкофазной эпитаксии. одах III и IV типов. Для вычисления эквивалентного коэффициента поглощения, обусловленного выходом из- Исследования показали преимущества симметричного типа светодиодной гетероструктуры для получения больлучения из кристалла, использовалась формула (13), для шей оптической мощности и меньшей ширины спектра вычисления внешнего квантового выхода использовалась излучения во всем диапазоне токов накачки. формула (11). Для вычислений взяты типичные значения внутрен- Активная область GaInAsSb во всех случаях легиронего квантового выхода фотонов in = 58% и отношение валась Те. Экспериментально установлено, что зависигенерируемых потоков коротковолновых и длинноволно- мость внешнего квантового выхода излучения от конвых фотонов s /l = 2 [30,31], коэффициента нефотоак- центрации носителей заряда в активной n-области для тивного поглощения d = 8см-1 и коэффициента пре- всех длин волн имеет максимум вблизи n = 1017 см-3. Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1310 Т.Н. Данилова, Б.Е. Журтанов, А.Н. Именков, Ю.П. Яковлев При содержании In в активной области от 0 до 24% чатой пирамиды со сглаженными ступенями приводит длина волны излучения возрастала с 1.8 до 2.4 мкм. к трансформации коротковолновой полосы излучения Жидкофазная эпитаксия не позволяет выращивать слои двухзарядного природного акцептора в длинноволновую. с содержанием In от 25 до 70%. При содержании In Экспериментально и теоретически показано, что уве> 75% получено излучение с длиной волны от 3.4 личение отношения площади светодиодного кристалла до 4.4 мкм. Это наиболее длинноволновые светодиоды, к его объему увеличивает внешний квантовый выход выращенные на подложке GaSb. Диапазон длин волн фотонов. 1.6-1.8 мкм перекрывался светодиодами с активной Оптимизация конструкций светодиодов позволила пообластью AlGaAsSb и удаленной подложкой GaSb. учить внешний квантовый выход фотонов 5.5-6.0% Внешний квантовый выход излучения максимален при при 300 K. Достигнута оптическая мощность в непретолщине активной области 2Ц3 мкм, равной диффузионрывном режиме 3.7 мВт. Максимальная мощность в имной длине носителей заряда. пульсе достигала 7 мВт при скважности 2, частоте слеВремя жизни неосновных носителей заряда уменьшадования 512 Гц, токе 300 мА и 190 мВт при скважности ется от 50 до 5 нс с ростом содержания In в активной 200, частоте следования 1 кГц, токе 1.4 А. Для светодиобласти, соответствующим увеличению длины волны одов, излучающих в спектральной области 3.4-4.4мкм, излучения от 1.8 до 2.4 мкм. получено превышение оптической мощности излучения Токовые и температурные зависимости интенсивности и внешнего квантового выхода ( 1%) в 3 раза по сравизлучения показывают, что доминирующими рекомбинению с известными значениями для гетероструктуры национными процессами являются межзонная излучаInAsSb/InAsSbP на подложке InAs. Книги по разным темам