Современные светодиоды

Легирование активной области

Легирование активного и барьерных слоев двойных гетероструктур примесями соответствующих типов заметно отражается на эффектив­ности светодиодов. Влияние легирования на величину внутреннего квантового выхода однозначно характеризовать невозможно. Сначала рассмотрим случай легирования активной области.

Активная область светодиодов с двойной гетероструктурой не должна быть сильно легированной, поскольку в этом случае примеси р - или n-типа сформируют р-п-переход на краю квантовой ямы на границе раздела активная область — барьерный слой, способствующий перетеканию носителей из активной области в один из внешних слоев.

Диффузия носителей в соседние с активной областью слои приведет к снижению квантового выхода. Поэтому активную область светоди­одов с двойными гетероструктурами на основе арсенидов и фосфидов III группы сильно не легируют.

Обычно активную область двойных гетероструктур либо совсем не легируют, либо уровень ее легирования не превышает концентрации примесей в барьерных слоях. Типичные значения концентрации леги­рующих примесей в активной области светодиодов р- или n-типа, как правило, лежат в диапазоне 1016-1017 см-3.

Поскольку диффузионная длина электронов, когда они являются неосновными носителями, значительно больше, чем у дырок в анало­гичном случае, активная область легируется примесями р-типа гораздо чаще, чем примесями n-типа. (Следует отметить, что в полупроводни­ках типа A Bv электроны обычно обладают большей подвижностью, чем дырки.) Поэтому при легировании активной области светодиода примесями р-типа удается получить более равномерное распределение носителей вдоль нее.

На рис. 7.4 (Sugawara et al., 1992) на примере светодиода из AlInGaP с двойной гетероструктурой показана зависимость квантового выхода излучения светодиодов от концентрации легирующих примесей в активной облаісти. Видно, что высокий квантовый выход достигается при концентрациях легирующих примесей меньше 1 -1016 см-3 для активной области n-типа и меньше 1 • 1017 см-3 для активной области р-типа.

Из рис. 7.4 также видно, что предпочтительнее проводить сла­бое легирование активной области примесями p-типа, чем примесями n-типа. Именно поэтому активную область светодиодов и лазеров чаще всего легируют акцепторными примесями. К тому же, если активная область светодиода легирована примесями тг-типа, электроны, обладаю­щие большей по сравнению с дырками диффузионной длиной, активнее диффундируют в барьерный слой р-типа.

Легирование активной области светодиода может иметь как пре­имущества, так и недостатки. Время жизни носителей зависит от концентрации основных носителей. В режиме слабого возбуждения (подача низкого прямого напряжения) при увеличении концентраций свободных носителей (сопровождающем рост концентрации легирую­щих примесей) время жизни носителей сокращается. Это приводит к повышению вероятности излучательной рекомбинации. Примером материала, квантовый выход излучения которого увеличивается с ро­стом концентрации примесей, является GaAs, легированный берилли­ем. Однако хорошо известно, что квантовый выход излучения GaAs, содержащего бериллий, растет только при умеренных уровнях леги­рования.

С другой стороны, легирующие примеси, особенно в случае вы­соких концентраций, могут вносить в структуру дефекты, которые будут играть роль центров рекомбинации. Высокие концентрации ле-

Концентрация носителей в активной области

Рис. 7.4. Зависимость квантового выхода излучения светодиодов AlInGaP с двойной гетероструктурой, с длиной волны излучения 565 нм, от уровня легирования активной области (Sugawara et al, 1992).

гирующих примесей ведут к увеличению концентрации собственных дефектов, что вызвано взаимной зависимостью концентраций собствен­ных и несобственных дефектов и положения уровня Ферми (Longini, Greene, 1956; Baraff, Schluter, 1985; Walukiewicz, 1988, 1989, 1994; Neugebauer, Van de Walle, 1999).

Процесс эпитаксиального роста также непосредственно связан с концентрацией легирующих примесей, поскольку они могут дей­ствовать как поверхностно-активные вещества (ПАВ). Например, ПАВ часто повышают поверхностный коэффициент диффузии, тем самым улучшая качество кристаллов. Существуют и другие способы воздей­ствия ПАВ на технологический процесс эпитаксиального выращива­ния. Хотя эти свойства ПАВ еще недостаточно изучены, улучшение качества кристаллов в присутствии ПАВ наблюдалось во множестве случаев, например при легировании InGaN атомами кремния в про­цессе его выращивания (Nakamura et al., 1996, 1998). Концентрация кремния в барьерных слоях в структурах с множественными кванто­выми ямами на основе нитридов III группы может достигать довольно больших значений, например 2 ■ 1018 см-3. Наблюдаемое повышение квантового выхода светодиодов может быть связано с экранированием внутренних поляризационных полей, снижающих разность потенциа­лов внутри активной области.