ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

Gar*AI*As ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ С КРАСНЫМ СВЕЧЕНИЕМ

Одновременно с работами по созданию гетерострук­тур с излучением в инфракрасном диапазоне проводи­лись исследования гетероструктур в системе AIAs — GaAs для светоизлучающих диодов с излучением в крас­ной области спектра.

В 1972 г. Ж. И. Алферов, Д. 3. Гарбузов с соавтора­ми [81] провели подробные исследования люминесцент­ных свойств твердых растворов AUGai-jcAs п - и р-типов проводимости. Изучалась фотолюминесценция однород­но легированных образцов. Эти исследования показали, что при приближении к переходной области составов интенсивность излучательной рекомбинации в л-области начинает уменьшаться при меньших значениях hv, чем в p-области (см. рис. 3.17). Для установления причин раз­ницы в поведении образцов р - и л-типа авторы работы [81] рассмотрели случай малой концентрации неравно­весных носителей, т. е. Дл, Др<Сл, р. В стационарных условиях общая скорость рекомбинации электронно-ды­рочных пар /0 равна сумме скоростей рекомбинации при участии прямых и непрямых переходов:

/„"= - j - _ (3.8)

Ч т2

Подставив в (3.8) соотношение

-*"L = Ж ехр (ДE/kT), (3.9)

Лп2 N2

где Nt/N2— отношение эффективных плотностей состоя­ния в Г - и Х-минимумах; ДЕ — энергетический зазор

меЖДУ Г~ и ^-минимумами, получим выражение для прямых излучательных переходов

h = v[l + -|j-^exp(- ДШГ)]. (3.10)

Из формулы (3.10) и по физическому смыслу оче­видно, что если T2^>Ti, то даже в случае, когда АЕ от­рицательно (непрямые твердые растворы) и ДлгЗ>А«ь прямые излучательные переходы могут давать основной вклад в общую скорость рекомбинации. В дальнейшем было показано, что в твердых растворах p-Gai_*AljAs при сравнительно невысоких уровнях легирования ак­цепторами (р»2-Ю17 см-3) время излучательных пере­ходов из прямого минимума в 20—40 раз меньше, чем время безызлучательных переходов из Х-минимума.

В отличие от p-типа в n.-Gai_xAlKAs при приближе­нии состава к переходной области при малых уровнях возбуждения квантовый выход излучения падает вслед­ствие того, что уменьшается концентрация носителей в Г-минимуме и, вследствие этого, увеличивается время межзонных излучательных переходов, которое становит­ся сравнимым с временем безызлучательных переходов из Г-минимума.

Таким образом, в образцах rz-типа спад интенсивно­сти электролюминесценции с ростом х обусловлен умень­шением концентрации основных носителей в Г-миниму - ме и усилением роли безызлучательных переходов через глубокие центры из этого же минимума. В образцах p-типа уменьшение интен­сивности излучательной рекомбинации с ростом состава происходит вслед­ствие усиления безызлу­чательных переходов че­рез непрямой Х-минимум.

При этом скорость спада зависимости г]виут=ї(х) определяется соотноше­нием времени жизни не­равновесных электронов в Г - и Х-минимумах.

Из сказанного выше следует вывод, что при изготовлении электро-

люминесцентных приборов, излучающих в красной об­ласти спектра, областью излучательной реком­бинации целесообразно иметь р-область твердого раствора Gai-jAl^As, так как квантовый выход люми­несценции образцов p-типа на порядок выше, чем у об­разцов п-типа, и спад квантового выхода люминесцен­ции у образцов p-типа начинается при энергии излучения около 1,9 эВ, в то время как для образцов я-типа — уже при 1,7 эВ. Другими словами, при использовании в ка­честве активной области p-типа удается продвинуться в сторону больших энергий излучаемых фотонов без сни­жения квантового выхода электролюминесценции.

Важным моментом на пути создания высокоэффек­тивных светоизлучающих диодов был выбор примеси 1 для легирования активной области структуры. В рабо­тах Ж - И. Алферова с сотрудниками было показано, что глубина уровня Zn в твердых растворах Al^Ga^As со­ставляет 25—30 мэВ и практически не зависит от со­става твердых растворов. Энергия активации акцептор­ного уровня германия в арсениде галлия составляет 35—40 мэВ. При увеличении содержания AIAs в твер­дом растворе до 0,3 глубина уровня Ge возрастает, до 100 мэВ. Глубина донорного уровня в «прямых» твер­дых растворах не превышает 5 мэВ. Для создания свето­излучающих диодов с излучением в красной области спектра (при содержании AlAs, равном примерно 0,3) - І целесообразно легировать активную р-область Zn в свя­зи с его меньшей энергией залегания.

На основе проведенных исследований высокоэффек­тивная излучающая гетероструктура в системе AIAs— I GaAs с красным свечением впервые была получена Ж. И. Алферовым, Р. А. Чармакадзе, Р. И. Чиковани с соавторами [14] в 1972 г. В гетероструктуре р+—р—п— ч —я+-типа были успешно разрешены задачи односто - і ронней инжекции носителей, ограничения области ре­комбинации вблизи широкозонного эмиттера, вывода излучения через широкозонное окно без потерь и получе­ния низкого последовательного сопротивления диода. Гетероструктуры были получены методом жидкостной эпитаксии, последовательным выращиванием на под­ложке p+-GaAs(p= (2-—5)-1019 см~3, легирующая при­месь Zn) слоя p-Alo,35Gao,65As, легированного Zn(p= | = 5-1017 см-3), и слоев rc-Al0,38Ga0,62As(n= (5—7)Х ХЮ17 см~3) и «+-Al0,37Ga0,63As (л = 2-1018 см-3), леги­рованных Те. Внешний квантовый выход излучения в 82

рис. 3.18. Распределение

(/), интегральной интен­сивности катодолюминес­ценции (2) н наведенного электронным зондом тока (3) по толщине эпитакси­альной Gai_*Al*As гетеро­структуры р+—р—п-типа с красным свечением [27].

На вставке — схематиче­ское изображение гетеро­структуры

среднем составлял 1 %, для лучших образ­цов — 1,5 %•

Полученные резуль­таты подтвердили пер­спективность гетеро­структур в системе AlAs—GaAs для соз­дания высокоэффективных светоизлучающих диодов с из­лучением в красной области спектра.

Следующий шаг на пути повышения эффективности был сделан в работе [27]. Благодаря оптимизации рас­пределения AlAs по структуре (рис. 3.18), наличию об­ласти с пониженным содержанием AlAs в слое р-типа на толщине, превышающей длину диффузионно-дрейфо­вого смещения носителей, расположению р—«-перехода внутри гетероперехода ближе к узкозонному материалу, способствующих эффективному выводу излучения, пере- излучению света и уменьшению потерь на безызлуча - тельную рекомбинацию, внешний квантовый выход излу­чения без применения просветляющих покрытий был поднят в среднем до 1,5 %, для лучших образцов — до 2%, а при наличии полимерного купола — до 4% (300 К). Длина волны в максимуме спектральной поло­сы излучения составляла 670—675 нм, полуширина спектральной полосы 27—30 нм. При понижении темпе­ратуры до 150—200 К ї]вн повышался до 8—10 % (при наличии полимерного купола). Удельная яркость свече­ния структур достигает 1000—1500 кд-м-2-А-1-см2.

Сравнение полученных результатов с данными рабо­ты [31] позволяет полагать, что внутренний квантовый выход излучения в гетероструктурах близок к 70^75 %.

Проведенные исследования показали, что сила света светоизлучающих диодов слабо зависит от энергии из­
лучения в интервале /п>Макс=1,84—1,91 эВ. Такая ела, бая зависимость lv=f(hvыаКс) обусловлена противопо. ложным ходом зависимостей внешнего квантового выхи. да излучения и кривой видности от энергии излучения в указанном интервале.

Существенное значение для получения высокоэффеЕ. тивных светоизлучающих приборов имеет толщина ц - _ эмиттера. В связи с непрямым составом твердого р^ет. ' вора n-слой имеет пониженную подвижность электро - нов и, тем самым, пониженную проводимость. Поэтому в случае недостаточной толщины n-области наиболее яркое свечение находится под контактом и в окрестно­сти его на расстоянии 50—100 мкм от края контакта. Такое положение приводит как к потере света (под кон­тактом), так и к повышению реальной плотности тока, вследствие чего наблюдаются насыщение зависимости сила света — ток, а также нестабильность приборов в процессе эксплуатации. Экспериментальные исследова­ния показали, что для обеспечения равномерного расте­кания тока толщина «-области должна быть более 15 мкм.

Из работ последнего времени в области технологии гетероструктур интересны работы Нишизавы с соавто­рами [82 и др.]. В этих работах гетероструктуры выра­щивались жидкостной эпитаксией при постоянной тем­пературе из расплава,, в котором создавался температур­ный градиент, благодаря чему материал диффундировал из высокотемпературной зоны расплава к поверхности подложки. Вследствие неизменности температуры выра­щивания коэффициент сегрегации компонентов полупро­водникового соединения и примесей остается постоян­ным в процессе роста, благодаря чему состав слоев (со­держание AIAs, концентрация примесей) стабилен по всей толщине. Этот метод позволил получить высокоэф­фективные светоизлучающие диоды с красным свечени­ем с т]вн=2—4 % при Ямакс=665 нм (диоды с полимер­ным куполом). Высокий внешний квантовый выход из­лучения объясняется авторами кристаллографическим совершенством области рекомбинации и минимальными потерями света на поглощение на свободных носителях и дефектах структуры. *г