ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

Ga,-*Al*As ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ С ИНФРАКРАСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Первые излучающие диоды инфракрасного диапазо­на па основе одинарной и двойной гетероструктур в си­стеме AlAs—GaAs были получены в работе [13].

На первом этапе последовавших затем эксперимен­тальных работ по созданию ИК диодов на основе гете­ропереходов выращивали, в основном, структуры с од­ним гетеропереходом. Это было вызвано тем, что гете­роструктуры с одним переходом технологически было легче получать, чем двойные гетероструктуры. В работе

[76] исследовались электролюминесцентные диоды, из­готовленные на основе гетероструктуры pGaAs —• pAxGai-xAs — nAlj/Gai-^As (*«0,05; ул;0,1). В этих диодах излучение генерировалось в слое pAUGai-jAs, выводилось в направлении, перпендикулярном плоско­сти р — п-перехода, через широкозонную оптически про­зрачную n-область. Слой pAUGaj-xAs легировался гер­манием до концентрации дырок 5-1018 см-3. Площадь р — n-переходов плоских кристаллов составляла 0,01 см2. Внешний дифференциальный квантовый выход излучения составил 1,5—2,5%, быстродействие 10— 30 не.

В 1975 г. Ж. И. Алферов, В. М. Андреев, Д. 3. Гар­бузов и В. Д. Румянцев [22] показали, что в двойной ге­тероструктуре в системе AlAs — GaAs может быть по­ручен внутренний квантовый выход излучения, близкий к 100 %. Это стимулировало работы, направленные на повышение внешней оптической эффективности прибо­ров. В частности, следует отметить разработку Ж. И. Алферовым, Д. 3. Гарбузовым с соавторами [31] теории многопроходных гетероструктур.

Эффект многопроходности был экспериментально реализован в безподложечной двойной гетероструктуре в системе AIAs — GaAs [32]. Для удаления подложки эпитаксиальная структура была выращена толстой (по - рядка 100 мкм) и, в то же время, не содержащей твер­дых растворов с малым содержанием AIAs, непрозрач­ных для излучения, генерируемого в активной области. Поскольку при жидкостной эпитаксии концентрация AIAs в кристаллизуемых слоях твердых растворов ALGai-aAs не остается постоянной, а быстро уменьша­ется по толщине слоя, то необходимая толщина струк­туры была получена за счет последовательного наращи­вания нескольких слоев. Содержание AIAs в активной области составляло около 10 %, и максимум полосы из­лучения находился при ^Макс=0,81 мкм. Площадь дио­дов плоской конфигурации составляла около 0,3 мм2. Площадь контактов к р - и п-областям не превышала 30 % общей площади диода, что уменьшало потери на поглощение в приконтактных областях. Внешний кван­товый выход излучения был в 2—3 раза выше, чем у диодов с подложкой. При выводе света в воздух рекорд­ное значение т]вн составляло 5,2 %, типичная величина

3-3,5%.

Для достижения высокого внутреннего квантового выхода излучения при малых токах накачки было иссле­довано влияние степени легирования германием актив­ной области двойных гетероструктур на величину г^нут

[77] . Было установлено, что в структурах с нелегирован - ной активной областью при уровне возбуждения 50 Вт/см2 внутренний квантовый выход составляет око­ло 96%. При ослаблении возбуждения на два порядка т]внут падает до 60 % вследствие безызлучательной ре­комбинации через глубокие центры. Легирование актив­ной области структур Ge до концентрации р«(1—2)Х X Ю18 см-3 увеличивает скорость излучательной реком­бинации и повышает внутренний квантовый выход излу­чения в таких структурах до 90 и более процентов даже при уровне возбуждения 1 Вт/см2. Дальнейшее повыше­ние степени легирования активной области Ge вызывает появление эффективных каналов безызлучательной ре­комбинации. При р£»1019 см-3 скорость безызлучатель­ной рекомбинации составляет около половины скорости излучательных переходов (г]пНут я* 65 %).

Следующий шаг в повышении эффективности был со­вершен на основе совместного использования эффекта многопроходное™ и эффекта внутренней фокусировки излучения мезаструктурой [15]. Подробнее этот вопрос буДет рассмотрен в гл. 6. В этом случае внешний кван­товый выход излучения достиг на постоянном токе 12 %, при импульсном электрическом питании —22 % (без использования просветляющих покрытий). При нанесе­нии покрытия из халькогенидного стекла т]Вн достиг 45 % [28].

В последнее время благодаря работам С. А. Бондаря, Н - В. Брагина, Д. В. Галченкова, В. П. Сушкова [27, 33, 78] получили также развитие гетероструктуры в системе AlAs — GaAs с переизлучающим фотолюминесцентным слоем (так называемые ФЭЛ структуры). Эти структу­ры отличаются от описанных выше двойных гетерострук­тур с удаленной подложкой большей технологичностью выращивания и возможностью использовать их без сня­тия подложки. Внешний квантовый выход излучения ФЭЛ структур возрастает по сравнению с структурами без переизлучающего слоя. Так, в работе [78] получен г]Ш1=3,5 (в случае легирования активной области Ge) и

4,5 % (в случае легирования активной области Zn). Эти данные получены без применения полимерного купола. Сравнительные данные для структур без переизлучения 1,5%.

В дальнейшем авторами работы [79] была предложе­на структура, в которой активный слой легировался Ge, а переизлучающий Zn. В этом случае достигалась высо­кая эффективность переизлучения и одновременно обес­печивалась стойкость структур к деградации в процессе эксплуатации.

Таким образом, в результате проведенных исследо­ваний созданы гетероструктуры с переизлучением в фо - толюминесцентном слое с г]ви«3—4,5 %, а также двой­ные гетероструктуры для приборов со снятой подлож­кой, позволяющие получить Т)ші«3—5 % при плоской конфигурации кристалла и г)вн~5—12 % для кристал­лов с мезаструктурой. Как показано выше, при импуль­сном электрическом питании т]Вц для диодов с удаленной подложкой и мезаструктурой превышает 20%. Длина волны излучения 820—900 нм.

Следует также отметить интересные результаты, по­лученные при исследовании Gai-jAl^As структуры с плавно изменяющейся шириной запрещенной зоны [80]. Структура легировалась кремнием, так что р — «-пере­ход создавался в процессе эпитаксиального выращива­

ния благодаря амфотерным свойствам кремния. Устрой, ство структуры аналогично показанному на рис. 1.13, в Полученная структура сочетала в себе высокий внут ренний квантовый выход электролюминесценции, широ. кую переизлучающую область, возможность использо­вания эффекта многопроходное™ и окно для вывода из - лучения без потерь. Диоды из таких структур СО СНЯТОн подложкой, изготовленные из плоских кристаллов раз­меров 375X375 мкм, имели внешний квантовый выход излучения 12—13 %. После создания полимерного ку­пола т]вн достиг на лучшем образце 27%- Недостаток структуры — низкое быстродействие (микросекунды).