Современные светодиоды

Безызлучательная рекомбинация на поверхности полупроводника

Безызлучательная рекомбинация может происходить не только в объеме, но и на поверхности полупроводников, так как именно здесь часто нарушается периодичность кристаллической решетки. Модель энергетических зон основывается на строгом соблюдении периодично­сти решетки. Поскольку на поверхности периодичность заканчивается, для поверхностей эту модель необходимо модифицировать, добавив дополнительные электронные уровни в запрещенной зоне полупровод­ника.

Теперь рассмотрим поверхность полупроводника с химической точ­ки зрения. Атомы, расположенные на поверхности, из-за отсутствия со­седних атомов не могут иметь такую же структуру связей, как атомы в глубине полупроводника, и часть их валентных связей остается свобод­ной. Орбитали, не полностью заполненные электронами, называются оборванными (свободными) связями. Эти связи являются электронны­ми уровнями, расположенными в запрещенной зоне полупроводника, которые могут играть роль центров рекомбинации. В зависимости от знака заряда эти орбитали могут быть уровнями-акцепторами или уровнями-донорами.

Свободные связи могут замыкаться одна на другую, формируя хи­мические связи между соседними атомами, расположенными на поверх­ности полупроводника. Такая перестройка поверхности ведет к созда­нию новой локальной атомной структуры с энергетическими уровнями, сильно отличающимися от состояний в глубине. Предсказать распо­ложение энергетических уровней поверхностных структур даже при использовании мощных теоретических моделей очень трудно. Поэтому чаще всего применяются феноменологические модели поверхностной рекомбинации.

Бардин и Шокли (Shockley, 1950) первыми догадались о появлении новых энергетических уровней в поверхностных структурах и об их роли как центров рекомбинации.

Оценим влияние поверхностной рекомбинации на распределение носителей в полупроводнике р-типа, подвергшемся воздействию облу­чения. Предположим, что во время облучения скорость генерации G в любой точке полупроводника одинаковая. Тогда должно выполняться уравнение непрерывности, которое в одномерном представлении для электронов имеет следующий вид:

где Jn — плотность тока, определяемая потоком электронов на поверх­ности полупроводника. В стационарных условиях в глубине однород­ного полупроводника это уравнение сводится к виду G — R. Используя выражение (2.14), определяющее скорость рекомбинации в объеме, найдем объемную концентрацию избыточных носителей Апоо = Grn, показанную на рис. 2.9. Предполагаем, что ток электронов диффузион­ный, т. е. для него справедливо выражение

(2.36)

Тогда, подставив это выражение в уравнение (2.35), получим уравнение непрерывности для диффузионного тока:

dAn(x, t) п An(x, t) п д2An(x, t) Т Ш^ I г Un г-5 Jn

На поверхности полупроводника из-за существования дополнительных энергетических уровней наблюдается высокая скорость рекомбинации. Поэтому для поверхности справедливо следующее граничное условие:

eDn ЭД"(!С’*) = eSAn(x, t)

ox

cc=0

где S — скорость поверхностной рекомбинации. Из этого условия сле­дует, что неосновные носители, диффундирующие к поверхности, на ней же и рекомбинируют. Считая, что скорость генерации постоянна во времени, находим, что концентрация неосновных носителей также не зависит от времени. Решение стационарного дифференциального уравнения с вышеприведенным граничным условием имеет вид

n(x) = По + A n(x) = Щ + Апоо 1 —

На рис. 2.9 показаны концентрации носителей вблизи поверхности по­лупроводника при разных скоростях рекомбинации. При S —* 0 концен­трация неосновных носителей на поверхности равна их концентрации в объеме, т. е. тг(0) —► щ + Апоо - При5 —» оо концентрация неосновных носителей на поверхности приближается к равновесному состоянию, т. е. тг(0) —> тго.

Поверхностная рекомбинация ведет к снижению квантового выхода люминесценции и к нагреву поверхности вследствие актов безызлуча­тельной рекомбинации на ней. В излучающих устройствах оба этих последствия являются нежелательными. В табл. 2.1 приведены данные о скоростях рекомбинации для нескольких типов полупроводников. Видно, что особенно высокой скоростью поверхностной рекомбинации обладает GaAs.

На рис. 2.10 показан микроснимок кристалла GaAs с полосковым металлическим контактом для инжекции тока, иллюстрирующий экс-

поверхность а

нол% проводник уьтипа

периментальное доказательство существования поверхностной реком­бинации. Люминесценция наблюдается со стороны подложки, а кон­такт располагается сзади излучающей области. Отчетливо видно, что в области рядом с поверхностью люминесценция ослабляется.

Поверхностная рекомбинация может происходить только при нали­чии носителей обоих типов. При разработке светодиодов важно пом-

нить, что активная область, в которой существуют оба типа носителей, должна располагаться на значительном расстоянии от любой по - . верхности. Этого можно добиться инжекцией носителей под контакт, площадь которого намного меньше площади кристалла полупровод­ника. Кроме того, этот контакт следует размещать на значительном расстоянии от боковых поверхностей кристалла. Если ток будет втекать в область, расположенную под контактом, носители не будут «видеть» поверхностей полупроводника. Здесь надо отметить, что в монополяр - ных областях полупроводниковых устройств из-за нехватки неоснов­ных носителей поверхностная рекомбинация практически отсутствует.

Для снижения поверхностной рекомбинации разработано несколько методов пассивирования, включающих обработку поверхностей серой или другими химическими реагентами (Lipsanen, 1999).