Современные светодиоды

Влияние гетеропереходов на сопротивление устройств

Применение гетероструктур позволяет улучшить эффективность светодиодов. Это происходит за счет ограничения носителей в активной области, что позволяет исключить диффузию неосновных носителей на большие расстояния. Для направления света в волновод часто применяют светодиоды с торцевым выводом излучения, также, как правило, на основе гетероструктур. В состав большинства современных полупроводниковых светодиодов и лазеров входят несколько гетеро­переходов: между контактными слоями, активными областями и вол­новодами. Несмотря на то, что гетероструктуры позволяют улучшать характеристики светодиодов, их применение связано с рядом проблем.

Одной из них является сопротивление переходных областей. Рис. 4.9, а показывает зонную диаграмму гетероструктуры и иллюстри­рует природу этого сопротивления. Гетероструктура чаще всего состоит из двух полупроводников с запрещенными зонами разной ширины. Предполагается, что обе части структуры обладают проводимостью n-типа. Носители из широкозонного материала диффундируют в узкозонный материал, где в зоне проводимости занимают уровни с низкими значениями энергии. В результате переноса электронов образуется электростатический диполь, состоящий из положительно заряженного обедненного слоя с ионизированными донорами в широкозонном полупроводнике и отрицательно заряженного слоя электронов, накопленных в узкозонном полупроводнике, что приводит к искривлению энергетических зон и формированию барьера,

показанного на рис. 4.9,а. Зарядам, перемещающимся из одного материала в другой, приходится преодолевать этот барьер за счет либо туннельного эффекта, либо тепловой энергии. Сопротивление переход­ных областей отрицательно отражается на характеристиках диодов, особенно мощных светодиодов. Тепловая мощность, выделяемая на сопротивлении гетеропереходов, ведет к нагреву активной области, что снижает квантовый выход излучения

Рис. 4.9. Зонная диаграмма резкого гетероперехода (а) и варизонного гетеро­перехода (б) между двумя полупроводниками с запрещенными зонами разной ширины. Резкий переход обладает большим сопротивлением, чем плавный, что связано с формированием в нем потенциального барьера (Schubert, 1992)

Было доказано, что плавным изменением химического состава по­лупроводника вблизи гетероперехода удается полностью устранить скачки в энергетических зонах гетеростуктуры (Schubert, 1992). На рис. 4.9, б показана зонная диаграмма структуры с постепенным изме­нением ширины запрещенной зоны. Видно, что в зоне проводимости структуры отсутствуют потенциальные барьеры, препятствующие про­хождению электронов. Было также доказано, что сопротивление гете­роструктуры с параболическим изменением ширины запрещенной зоны сравнимо с объемным сопротивлением материала. Таким образом, до­полнительное сопротивление, вносимое резким гетеропереходом, может быть полностью компенсировано изменением состава полупроводника вблизи самого перехода по параболическому закону.

Ширина запрещенной зоны должна изменяться по параболе также и по следующей причине. В широкозонном полупроводнике вслед­ствие миграции электронов в узкозонный полупроводник наблюдается

4 Ф. Е. Шуберт
нехватка свободных носителей. Поэтому концентрация зарядов в нем определяется концентрацией доноров. Считая, что концентрация доно­ров Nd постоянна по всей гетероструктуре, из уравнения Пуассона можно найти величину электростатического потенциала:

ф = ^.ж2 (4 21)

Из уравнения видно, что потенциал связан с пространственной коор­динатой х квадратичной зависимостью, т. е. зависимость потенциала от расстояния имеет параболическую форму. Для компенсации пара­болической зависимости и получения одинакового потенциала вдоль всей структуры химический состав полупроводника также должен изменяться по параболическому закону. При этом считается, что параболические изменения химического состава приведут к парабо­лическим изменениям ширины запрещенной зоны, т. е. между ними существует линейная связь и можно пренебречь квадратичным членом в зависимости ширины запрещенной зоны от состава.

Выведем расчетное соотношение для получения требуемых вари - зонных гетероструктур. Предположим, что разрыв зоны проводимо­сти, вызванный резким гетеропереходом, равен АЕС и что структура равномерно легирована донорными примесями с концентрацией ND. Также будем считать, что миграция носителей в узкозонный полу­проводник привела к формированию обедненной области толщиной Wd в широкозонном полупроводнике. Если потенциал в обедненной области становится равным АЕс/е, электроны перестают перемещаться в узкозонный материал. Из уравнения (4.21) можно найти толщину

обедненной области: ,-------- —

WD = ■ (4.22)

у е - Nd

Следовательно, для минимизации сопротивления, вносимого резким гетеропереходом, в переходной области толщиной Wd необходимо плавно изменять степень легирования полупроводника для получения плавного гетероперехода. Хотя выражение (4.22) позволяет получить только приблизительную величину Wd, оно очень полезно при проек­тировании излучающих устройств. Для более точных расчетов мож­но применить метод последовательных приближений. Например, мож­но учесть изменение потенциала в узкозонном полупроводнике из-за возникновения слоя накопления электронов. Существует несколько программных пакетов, позволяющих рассчитывать полупроводниковые гетероструктуры численными методами. Один из них — Atlas, разрабо­танный фирмой Сильвако.

Упражнение. Проектирование градиентных гетеропереходов

Считаем, что разрыв зоны проводимости гетероструктуры AlGaAs/GaAs равен ДЕс = 300 мэВ и что структура равномерно легирована донорной при­месью с концентрацией Nd = 5 - 10 см-3. Требуется найти толщину пере­

ходного слоя, в котором следует изменять химический состав полупроводника

для формирования градиентного гетероперехода, обладающего минимальным сопротивлением.

Решение. Из уравнения (4.22) найдем толщину обедненного слоя Wd = 30 нм. Следовательно, для снижения переходного сопротивления необходимо форми­ровать плавный гетеропереход на протяжении 30 нм. Рис. 4.9, б показывает, что область плавного гетероперехода должна состоять из двух параболических областей.

Формирование градиентных переходов используется во многих ге­тероструктурах. Рис. 4.10 показывает влияние таких переходов на по-

р-тип

Рис.4.10. Зонная диаграмма двойной гетероструктуры с резкими переходами (а) и градиентными переходами (б). Резкие переходы обладают большим сопро­тивлением, чем плавные, что связано с формированием в них потенциальных

барьеров

ведение двойной гетероструктуры. На рис. 4.10, а изображены зонная диаграмма и диаграмма изменения химического состава структуры с резкими переходами. Видно, что на обеих границах раздела между полупроводниками двух типов возникли потенциальные барьеры, пре­пятствующие попаданию свободных зарядов в активную область.

На рис. 4.10,6 представлены аналогичные диаграммы для двойной гетероструктуры с градиентными переходами. Из зонной диаграммы следует, что в этом случае потенциальные барьеры значительно умень­шились. Небольшие возмущения, наблюдаемые на границе двух по­лупроводников, объясняются тем, что химический состав переходной области изменился линейно. В случае параболического изменения со­става от этих возмущений часто удается полностью избавиться.

В общем случае считается, что перенос носителей в гетерострук­турах происходит адиабатически, т. е. такой процесс внутри полу­проводника не сопровождается выделением избыточного тепла. Для мощных светодиодов это условие практически полностью выполняется, что очень важно, поскольку повышение рабочей температуры может привести к ухудшению рабочих характеристик.

Следует также отметить, что для всех гетероструктур желательно подбирать материалы с одинаковыми параметрами кристаллической решетки, поскольку выполнение этого условия позволяет уменьшить плотность дислокаций несоответствия, играющих роль центров безыз­лучательной рекомбинации.