ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

Л. М. КОГАН

Свет играет исключительно важную роль в жизни и производственной деятельности человека. Поэтому по­стоянно актуальна проблема создания высокоэффектив­ных и надежных источников света.

Полупроводниковая электроника до недавнего време­ни могла решать задачи преобразования электрических сигналов в электрические (диоды, транзисторы, тири­сторы и т. п.) и оптических сигналов в электрические (фотодиоды, фототранзисторы и т. п.). В последние го­ды в результате синтеза и исследования новых полупро­водниковых соединений типа AinBv была решена задача преобразования электрических сигналов в опти­ческие и созданы новые источники света — полупроводни­ковые светоизлучающие диоды, действующие на основе излучательной рекомбинации инжектированных р—п-пе­реходом носителей.

Современные полупроводниковые светоизлучающие диоды характеризуются высокими техническими ха­рактеристиками: высокой яркостью (тысячи кандел на квадратный метр) и высокой эффективностью преобра­зования электрической энергии в световую (до единиц люмен на ватт); высоким внешним квантовым выходом излучения (до 45% в инфракрасном диапазоне); сов­местимостью по' входным параметрам с транзисторными микросхемами, а по спектру излучения диодов ин­фракрасного диапазона — с фотоприемниками на осно­ве кремния; высоким быстродействием (до единиц нано­секунд); надежностью и большим сроком службы (до сотен тысяч часов). Вследствие этого они имеют обшир­ные и многообразные области применения.

Более 100 лет прошло с момента создания лампы на­каливания, получившей чрезвычайно широкое распро­странение. В настоящее время светоизлучающие диоды вытесняют лампы накаливания в таких областях, как визуальная индикация и подсветка в устройствах ото­бражения информации. Светоизлучающие диоды широ­ко применяются также для внутрисхемной и панельной индикации состояния электронных схем, в системах за писи информации на фотопленку, в фотоэлектрических устройствах, в измерительной технике для создания бес - стрелочных шкал и т. п.

Созданные на основе светоизлучающих р—п-перехо­дов многоэлементные знаковые индикаторы широко используются в быстродействующих системах отображе­ния информации, в вычислительной технике, автомати­ке, радиоэлектронике и позволяют вывести цифро-бук - венную и графическую информацию.

Диоды, излучающие в инфракрасной области спект­ра (ИК диоды), положили начало развитию новой об­ласти электроники — твердотельной оптоэлектроники. Они широко применяются в оптронах различного типа, в позиционно-чувствительных фотоэлектрических уст­ройствах, в устройствах автоматического управления, в устройствах ввода — вывода данных вычислительной техники, в системах оптической связи и т. п.

Создание светоизлучающих диодов со столь высоки­ми техническими характеристиками и разнообразного назначения стало возможным в результате взаимосвя­занного развития физических исследований, материало­ведения соединений AIUBV и полупроводниковой тех­нологии. Синтез полупроводниковых соединений, изу­чение их физико-химических свойств, в том числе меха­низмов излучателыюй рекомбинации в связи со структу­рой зон и легированием, позволили осуществить выбор основных материалов для создания лзлучающих дио­дов различного назначения. Разработка новых эпитак­сиальных методов выращивания слоев бинарных соеди­нений и многокомпонентных твердых растворов, а также гомо - и гетеропереходов на их основе, позволила опти­мизировать устройство приборов и повысить их эффек­тивность. Получение объемных монокристаллов соеди­нений позволило разработать высокопроизводительную технологию производства приборов.

На основе успешных физических и технологических исследований, а также конструкторских разработок в настоящее время в СССР и за рубежом создана мощная промышленность по производству полупроводниковых соединений типа AniBv, эпитаксиальных структур и светоизлучающих приборов на их основе. По прогнозам американского журнала «Электронике» за 1981 г. ожи­даемый объем производства светоизлучающих диодов и знаковых индикаторов в США в 1984 г. составит 450 млн. долл. Для сравнения укажем, что ожидаемый объем производства выпрямительных диодов — 680 млн. долл., а транзисторов — 800 млн. долл. Эти числа показывают, что производство светоизлучающих приборов стало высокоразвитой отраслью электронной промышленности.

История светоизлучающих диодов опирается на ряд важнейших открытий и исследований.

1923 г. — О. В. Лосев наблюдал электролюминесценцию в по­лупроводнике, изучая карбид кремния [1]; он же установил связь электролюминесценции с выпрямлением и позднее показал, что светоизлучающие кристаллы SiC содержали природные 'р—п-пе­реходы;

1955 г. — Браунштейн наблюдал рекомбинационное излучение в арсениде галлня [2]. Записанный им спектр принадлежал одной из длинноволновых полос, связанных с рекомбинацией через при­месные центры;

1962 г. — Д. Н. Наследов, А. А. Рогачев, С. М. Рывкнн, Б. В. Царенков впервые наблюдали рекомбинационное излучение в арсениде галлия, соответствующее переходам, энергетически близ­ким к межзопным [3];

Старкиевич и Аллен показали, что одновременное присутствие цинка и кислорода в фосфиде галлня приводит к возникновению красного излучения [Ю];

1963 г. — Нельсон разработал метод жидкостной эпитаксии применительно к арсеннду галлия [4], который сыграл в дальней­шем важную роль в совершенствовании светоизлучающих диодов;

1965 г. — Томас, Хопфильд, Фрош показали, что азот является изоэлектронной ловушкой в фосфиде галлия [5]. Днн, Гершензон, Каминский в 1967 г. установили определяющую роль азота в зеле­ной электролюминесценции р—«.-переходов в фосфиде галлия при комнатной температуре [6], что позволило в дальнейшем при ис­пользовании метода жидкостной эпитаксии получить высокоэффек­тивные светоизлучающие диоды с зеленым свечением [7];

1966 г. — Руппрехт, Вудалл, Коннерс н Петит методом жидко­стной эпитаксии получили высокоэффективную р—/г-структуру нз арсснида галлия, п - н p-области которой были легированы кремни­ем [8]. На основе этой структуры и полусферической конструкции кристалла позднее были созданы ИК диоды с внешним квантовым выходом излучения до 28 % [9];

Лоренц и Пнлкун получили высокоэффективные светоизлучаю­щие днрды из фосфида галлия с красным свечением, применив ме­тод жидкостной эпитаксии и легирование p-области Zn и О [11];

Тайтжен н Эмик разработали хлоридно-гидридную технологию изготовления совершенных эпитаксиальных слоев GaAsi-xP* с нс - пользованием арсина и фосфнна [12], которая позволила создать промышленное производство эпитаксиальных структур н цифровых индикаторов на нх основе;

1969 г. — Ж. И. Алферов, В. М. Андреев, В. И. Корольков, Е. Л. Портной, А. А.^ Яковенко показали перспективность структур с гетеропереходами в системе AlAs—GaAs для создания источников спонтанного излучения [13]. В дальнейшем на основе гетерострук­тур были созданы высокоэффективные светоизлучающие дноды с красным свечением [14], а также излучающие дноды инфракрасного диапазона [15];

1971 г. — Гровс, Герцог и Крафорд показали перспективность введения азота в твердый раствор GaAsi-sP* непрямого состава для получения высокоэффективных светоизлучающих диодов с жел­тым и оранжевым свечением [16].

Розенцвейг, Логан и Внегман показали возможность создания светоизлучающих диодов с переменным цветом свечения между красным и зеленым цветами на основе использования двухполос­ного излучения р—п-перехода в фосфиде галлия [17] ; в дальней­шем на основе двухполосного излучения были созданы высокоэф­фективные светоизлучающие Дноды с желтым и - оранжевым све­чением [18];

1975 г. — Л. М. Долгннов, Н. Ибрагимов, М. Г. Мильвидскнй, В. 10. Рогулин, Е. Г. Шевченко показали перспективность четверных твердых растворов соединений AnIBv с изовалентным замещением для создания электролюминесцентных днодов и получили на осно­ве гетеропереходов в Gailni-^Asi-yPj, ИК дноды с внешним кван­товым выходом излучения 4,7 % при 300 К [19].