Современные светодиоды

Двойные гетероструктуры

Из выражения для времени жизни носителей, выведенного из урав­нения скорости бимолекулярной рекомбинации, следует, что как при низком, так и при высоком уровне возбуждения скорость излучатель­ной рекомбинации увеличивается с ростом концентрации свободных носителей. Поэтому для повышения внутреннего квантового выхода излучательной рекомбинации в активной области требуется поддержи­вать высокую концентрацию носителей. Это позволяют сделать двой­ные гетероструктуры (ДГС, DH).

Двойная гетероструктура состоит из активного среднего слоя — области рекомбинации, ограниченной двумя барьерными слоями (эмит­терами). На рис. 7.1 показана схема двойной гетероструктуры. Ширина запрещенной зоны барьерных слоев всегда значительно больше шири­ны запрещенной зоны активного слоя; АЕд — разность ширин запре­щенной зоны активного и барьерного слоев, определяемая разрывами зон проводимости и валентной:

Eg, emitter Egt base = АЕд = АЕС + АЕи. (7.1)

Для предотвращения растекания носителей из активной области в на­ружные слои AEv и АЕС должны быть намного больше величины кТ.

На рис. 7.2 схематично показано влияние двойной гетеростуктуры на концентрацию носителей. В случае подачи прямого напряжения на гомогенный р-п-переход носители диффундируют в соседние слои. На рис. 7.2, а представлены диффузионные длины электронов и дырок, на протяжении которых рекомбинируют неосновные носители. Диффу­зионные длины носителей в полупроводниках типа AHIBV достигают 10 мкм и могут быть даже больше.

Растекания носителей в широкой области и, соответственно, их низкой концентрации (особенно на расстоянии диффузионной длины)

можно избежать, применив двойную гетероструктуру. На рис. 7.2,6 показаны носители, скопившиеся в активной области гетероструктуры. Они не смогут покинуть квантовую яму до тех пор, пока высота потенциального барьера будет значительно больше кТ. В настоящее время практически все мощные эффективные светодиоды выполняются на основе двойных гетероструктур.

Двойные гетероструктуры создаются на основе трехмерной актив­ной области или активной области в виде квантовых ям. Последняя обеспечивает увеличение концентрации носителей в тонком слое, что приводит к росту внутреннего квантового выхода излучения. С другой стороны, в таких структурах потенциальные барьеры между кванто­выми ямами создают сопротивление потоку носителей от ямы к яме. Поэтому в активной области в виде множественных квантовых ям ба­рьеры должны быть достаточно прозрачными для носителей (низкими и/или тонкими), допускающими их свободное (туннельное) переме­щение между ямами, что необходимо для обеспечения равномерного распределения носителей в пределах активной области.

Толщина активной области в светодиодах на основе двойных гете­роструктур оказывает сильное влияние на величину внутреннего кван­тового выхода излучения. Толщина трехмерной активной области, как правило, равна нескольким десятым микрометрв, а активной области в виде квантовых ям —несколько меньше. На рис. 7.3 показана зависи­мость квантового выхода излучения светодиода от толщины активной области (Sugawara et al., 1992). Видно, что оптимальная толщина светодиода AlInGaP лежит в интервале 0,15-0,75 мкм.

Если толщина активной области в двойной гетероструктуре стано­вится слишком большой, например больше диффузионной длины но­сителей, преимущества двойной гетероструктуры теряются и носители распределяются так же, как в гомогенных переходах. Однако, если активная область становится слишком тонкой, при высоких уровнях инжекционного тока может произойти насыщение носителями.