ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ КРИСТАЛЛ

Для изготовления светоизлучающих кристаллов ис­пользуют эпитаксиальные структуры, рассмотренные в гл. 3. Выбор вида эпитаксиальных структур определяет­ся, с одной стороны, назначением диода, а с другой сто­
роны — основными характеристиками кристаллов а

основе рассматриваемых структур. Такие ориентировоч­ные характеристики кристаллов приведены в табл. 4.) (без использования просветляющих покрытий).

Как следует из табл. 4.1, для получения максималь­ной силы света в красной, оранжевой, желтой и зеленой областях спектра предпочтительны структуры Gao.7Alo.3As, GaAsi-xP* : N/GaP, GaP : N, GaP : N, Zn—O.

Для получения максимальной силы излучения пред­почтительны структуры Gao,7Alo,3As, GaP: Zn, О. Следу­ет иметь в виду, что кристаллы на основе структур с прозрачной подложкой, например структур на GaP- подложке, имеют значительное боковое излучение, что позволяет при его сборе и использовании существенно увеличить силу света и силу излучения. На выбор эпиаксиальной структуры могут влиять и другие техниче­ские характеристики [величина Unp, характер зависимо­сти /о=/(^)ї. 3 также экономические показатели.

В производстве светоизлучающих диодов использу­ется кристаллы весьма малых размеров — по-видимому, одни из самых малых в электронике. Это вызывается следующими обстоятельствами: высокой стоимостью и дефицитностью исходных материалов; повышением квантового выхода излучения с увеличением плотности тока для большинства материалов; повышением эффек­тивности оптической системы светоизлучающего диода для сбора и преобразования излучения при уменьшении размера кристалла; возможностью получить светящееся пятно необходимых размеров за счет различных конст­руктивных решений по прибору в целом.

Ограничивающие факторы в уменьшении размера кристалла: возрастающие трудности сборки, особейно автоматизированной, и деградация оптических характе­ристик приборов в процессе работы. В связи с изложен­ным, в настоящее время кристалл светоизлучающих дио­дов в большинстве случаев имеет размер грани от 0,35 до 0,5 мм.

Омические контакты к кристаллам изготавливают методами тонкопленочной технологии. Тонкий слой кон­тактного металла более теплопроводен и электропрово - ден, чем толстый, вызывает меньшие механические напряжения в кристалле и позволяет скалывать или вы­резать кристалл вместе с контактным металлом. Одновре­менно контакты в виде плоских пленок позволяют при­менить высокопроизводительную технологию приварки гибкого вывода и пайки кристаллов на кристаллодержа - т? ль с использованием современного микросборочного оборудования.

Тонкопленочные омические контакты к светоизлучающим крис­таллам создаются как методом вакуумного напыления, так й ме­тодом электрохимического и химического осаждения. Напыленные к< нтакты к р-GaP создаются напылением сплавов Au—Zn, Аи—Be, к гг-GaP — Аи—Ge—Ni, Аи—Ni [102]. Напыленный омический кон­такт к n-Ga0 5A1o,6As может быть создан напылением сплава Аи — Ge - Ni [102].

Значительное распространение получили методы химического и 3J ктрохимического осаждения металлов [103 и др.]. Этот метод позволяет получить хорошо контролируемые ПО ТОЛЩИ} е слои лю­бой топологии, не требует сложного оборудования и весьма эко­номичен по расходу металлов. Электрохимическим методом созда-

Рис. 4.1. Спектральные xapj,,. теристики отражающей спосу - ности омических контактов < фосфиду галлия:

•-А u—Ni; О—Ли—Ge; О—Ni—д. Sn; X—Ni—Ли—Zn [104]. Коэфл,' цнент отражения света К опред. ЛЯЛСЯ ПО формуле К‘’ (Ф|—4>,)1ф где 4>i — свет, отраженный от гра ннцы раздела металл — фосфщ галлия; <Х>2 — свет, отраженный м границы фосфид галлия — возду» Ф0 — полный поток света, испуска^ емый источником.

ются омические контакты к р-GaP (Au—Ni—Zn, Аи—Ni), к n-GaP и n-Gao.5Alo.5As (Аи—Ni—Sn) [18, 27).

Во всех случаях после нанесения металлов проводится впдав - ление контактов при температурах 500—600°С. Введение Ni вс став металлического покрытия повышает растворимость полупр. водника в Аи и тем самым улучшает адгезию всей композиции Добавки металлов — доноров или акцепторов — повышают концен' трацию носителей в рекристаллизованной области и благодаря это­му способствуют созданию низкоомных омических контактов. Эле-: трические удельные сопротивления контактов, как правило, нахо­дятся в пределах 10-4—10-® Ом-см2. Толщина слоя Аи должзї быть достаточна для создания однородной поверхности, пригодно! для присоединения гибкого вывода методами микросварки.

В ряде случаев важно знать способность металличе­ских пленок, наносимых на полупроводник, отражать свет, генерируемый р—п-переходом. Применительно к GaP отражающая способность некоторых металличес­ких покрытий исследована в работе [104]. Показано, что широко распространенные омические контакты типа Ni—Au—Sn и Ni—Au—Zn являются поглощающими свет (рис. 4.1). Несколько лучшие отражающие свойства имеют контакты Au—Ge и Au—Ni. Покрытия из Au, Ag. А1, не подвергнутые термообработке, обладают сущест­венно большей отражающей способностью.

При изготовлении контактов к кристаллам светоиз­лучающих диодов верхний омический контакт должен быть, с одной стороны, минимальной площади для уменьшения потерь света, с другой стороны, содержать площадку, согласованную по размерам со сварочным инструментом, а также иметь элементы, обеспечивающие равномерное растекание тока по площади р—п-перехо­да. Для достижения последней цели применяют также дополнительное поверхностное легирование структуры,

например методом диффузии. Равномерное растекание тока по площади р—п-перехода улучшает стабильность диодов в процессе работы и вывод излучения из крис­талла.

Нижний контакт может быть сплошным, если под­ложка непрозрачна для генерируемого излучения, и мо­жет быть отражающим свет для кристаллов с прозрач­ной подложкой. Во втором случае площадь омических контактов должна быть, с одной стороны, минимальной для обеспечения максимальной доли отраженного света, а с другой стороны, достаточной для обеспечения необ­ходимого теплоотвода от кристалла и необходимой ве­личины прямого напряжения.

Типичное устройство кристаллов на основе жидкост­но-эпитаксиальных структур со сплошным р—п-перехо - дом представлено на рис. 4.2. Как видим, кристалл име­ет плоскую конфигурацию с резаными гранями (про­травленными для удаления разрушенного резкой слоя). Топология верхнего омического контакта — единая для кристаллов из всех рассмотренных материалов. Нижний омический контакт для кристаллов из Gao,7Alo,3As на непрозрачной подложке GaAs выполнен сплошным, а Для кристаллов из GaP, прозрачных для генерируемого излучения, имеет ограниченную площадь (10—20 % пло - Щади нижней грани) для уменьшения поглощения света.

Кристаллы с планарным р—л-переходом (например, Из GaAsi-xPx-структур) содержат верхний омический контакт, как правило, в центре планарной области, а
нижний контакт — либо сплошной, либо отражающий свет в зависимости от прозрачности материала подло^. ки.

Отражение света отражающим нижним контактом основано на эффекте полного внутреннего отражение света, падающего на границу раздела полупроводник — диэлектрик под углом, большим критического. Отра-

женныи от нижней грани свет повторно падает на верх- нюю или боковые грани кристалла и увеличивает долю выводимого из кристалла света. Этот процесс может по­вторяться несколько раз. Результаты ориентировочного расчета эффективности отражающего свет нижнего кон­такта к GaP кристаллам и экспериментальные данные приведены в табл. 4.2 [105]. Расчет проведен на основе следующих исходных данных:

свет выводится из GaP с показателем преломления п=3,3 в полимер с показателем преломления /2=1,5;

коэффициент поглощения генерируемого р—п-пере­ходом света а для GaP, легированного N, —100 см-1, для GaP, легированного Zn и О, —10 см-1, для GaP- подложки— 5-см-1; толщина области, легированной N, —40 мкм, легированной Zn и О — 20 мкм, общая толщи­на кристалла — 300 мкм; площадь, занятая поглощаю­щими свет омическими контактами, составляет 10 % площади полной поверхности кристалла; поглощение света омическими контактами принято равным 100 %■

ркс 4.3. Схема световых по - Полимер

сков в GaP кристалле с отра­жающим свет нижиим контак­том:

„ 2 — эпитаксиальные слои р - и 1.GaP: 3 —GaP-подложкэ: 4—слой гмлектрика с показателем прелом-

іеніїя л=1.4; 5—омические кон­такты

Общая схема световых потоков, принятая в расчете, приведена на рис. 4.3. Как следует из расчетов (табл. 4.2), для красного излучения применение отражающих свет контактов может привести к увеличению вывода света через световыводящую поверхность более чем в 2,3 раза по сравнению со светом, выходящим после пер­вого падения. Для зеленого излучения эта величина рав­на 1,7.

Экспериментальные данные (табл. 4.2) получены при сравнении GaP кристаллов с отражающим контактом с GaP-кристаллами со сплошным нижним контактом. Как видим, увеличение силы света получено для всех рас­смотренных материалов, однако экспериментальная сила света ниже ожидаемой расчетной; причина, по-видимо­му, в неполном поглощении света сплошным контактом.

Полученные экспериментальные данные подтверж­дают целесообразность применения отражающих свет контактов для кристаллов, прозрачных для генерируемо­го излучения.

Диаграммы направленности излучения кристаллов приведены на рис. 4.4. Как следует из рис. 4.4, угловое распределение излучения из Gao,7Al0,3As кристалла со­ответствует ламбертовскому, а из GaP кристалла — от­личается от ламбертовского увеличенной долей бокового излучения. Так, 50 % светового потока из GaP кристал­лов располагается в центральном телесном угле 150 а остальные 50 % — в угле до 260°. Соответствующие зна­чения для кристалла из Ga0,7Al0,3As — 90 и 180°.

Из диаграмм направленности излучения кристаллов следует, что при конструировании высокоэффективных светоизлучающих диодов должны предусматриваться сбор и перераспределение бокового излучения кристал­ла, особенно в случае использования кристаллов с про­зрачной подложкой.

В последнее время изготавливают также кристаллы с мезаструктурой на основе высокоэффективных жидко­стно-эпитаксиальных структур со сплошным р—гс-пере - ходом (например, [108]). Достоинства таких кристаллов следующие: 1) для структур с сверхлинейной зависимо­стью квантового выхода излучения от плотности тока (например, GaP : N) применение мезаструктур позволя­ет увеличить плотность тока и, тем самым, эффектив­ность приборов; 2) уменьшение размеров светящейся области кристалла повышает эффективность оптической системы диода и, тем самым, эффективность прибора в целом; 3) увеличение плотности тока способствует повы­шению эффективности диодов при малых токах питания, что позволяет применять их в устройствах с батарейным питанием; 4) расширяется диапазон токов, в котором наблюдается линейная зависимость мощности излучения
от тока, что позволяет использовать светоизлучающие диоды в аналоговых оптоэлектронных устройствах;

5) наличие травленой поверхности в месте выхода р—п-перехода наружу и отсутствие разрушенного рез­кой слоя повышает стабильность и надежность прибо­ров в эксплуатации; 6) снижается трудоемкость монта­жа кристаллов на держатель благодаря применению кристаллов приемлемых размеров.

Типичное устройство кристаллов с мезаструктурой показано на рис. 4.5. Кристаллы с мезаструктурой на основе GaP : N из-за увеличения плотности тока в 2—3 раза позволили получить в 1,3—1,5 раза большую силу света, чем дают кристаллы плоской конфигурации с площадью р—л-перехода 0,25 мм2. Увеличение силы света обусловлено характерной для GaP : N зависимо­стью і]«!п, где J — плотность тока; /г» 1,5.

Получают некоторое развитие также кристаллы с планарной структурой на основе жидкостно-эпитакси­альных структур со сплошным р—л-переходом, получае­мые разделительной диффузией цинка (например, на основе Gai-rcAUAs гетероструктур р+—р—л-типа [102]). Достоинства приборов на основе таких планарных кри­сталлов — высокая эффективность, а также стабиль­ность и надежность в процессе эксплуатации. По-види­мому, применение жидкостно-эпитаксиальных кристал­лов с мезаструктурой или планарным р—л-переходом в дальнейшем будет расширяться для создания приборов с повышенной эффективностью и надежностью.

Следует отметить, что из структур с прозрачной подложкой (например, из GaP структур) могут быть из­готовлены также кристаллы полусферической конфигу­рации. В этом случае внешний квантовый выход излуче­ния увеличивается за счет уменьшения потерь на полное внутреннее отражение света. В одной из работ получе­ны диоды с зеленым свечением с т]вн=0,41 % (на срав­нительных диодах с плоским кристаллом т]вн=0,17 %)

Спектр излучения полусферических диодов более зеле­ный. Это объясняется тем, что в полусферических крис­таллах большая часть света выводится после первогс падения излучения на поверхность, благодаря чем• уменьшается поглощение света в кристалле, особенно в коротковолновой части спектра. Однако полусферичес­кие кристаллы из GaP не нашли практического приме­нения в связи с увеличением стоимости прибора.