Внешний квантовый выход и потери излучения

Инжекционная электролюминесценция является физиче­ской основой работы светоизлучающих полупроводниковых диодов (СИД). Термином «светоизлучающие диоды» охва­тывают также излучающие диоды, работающие в инфра­красном диапазоне оптического излучения (ИК-диоды).

Светоизлучающий диод — основной и наиболее универ­сальный излучатель некогерентной оптоэлектроники. Это обусловливают следующие его достоинства: высокое значе­ние КПД преобразования электрической энергии в оптиче­скую; относительно узкий спектр излучения (квазимоно­хроматичность) для одного типа СИД, с одной стороны, и перекрытие почти всего оптического диапазона излучения СИД различных типов — с другой; высокая для некоге­рентного излучателя направленность излучения; малые значения прямого падения напряжения, что обеспечивает электрическую совместимость СИД с интегральными схе­мами; высокое быстродействие; малые габариты, техноло­гическая совместимость с микроэлектронными устройства­ми; высокая надежность и долговечность.

Качество СИД характеризуется внешним квантовым вы­ходом

η = γ ηэ ηопт (1-24)

где γ— коэффициент инжекции; η_э—внутренний кванто­вый выход; ηопт — оптическая эффективность или коэффи­циент вывода света.

Произведение γηэ определяет, как отмечалось в преды­дущем параграфе, эффективность инжекционной электро­люминесценции. Однако даже при большом значении γηэ внешний квантовый выход СИД может оказаться малым вследствие низкого вывода излучения из структуры СИД во внешнюю среду. При выводе излучения из активной (излучающей) области СИД имеют место потери энергии (рис. 1.20).

1. Потери на самопоглощение (лучи 1 на рис. 1.20). При поглощении полупроводником фотонов их энергия мо­жет быть передана электронам валентной зоны с переводом этих электронов в зону проводимости. Возможно поглоще­ние энергии фотонов свободными электронами зоны прово­димости или дырками валентной зоны. При этом энергия фотонов расходуется также на перевод носителей на более высокие для них энергетические уровни, но в пределах соответствующей разрешенной зоны. Возможно примесное примесное поглащение фотонов, при котором их энергия идет на возбуждение примесных уровней. Кроме того, в полупроводниках может происходить поглощение фотонов кристаллической решёткой, поглощение с переходом электронов

С акцепторного на донорный энергетический уровень и некоторые другие виды поглощения.

Рис.1.20. Потери при выводе оптического

излучения из активной области

Потери на полное внутреппее отражение (лучи 2 на рис.1.20). При падении излучения на границу раздела оптически более плотной среды (полупроводник) с оптически менее плотной (воздух) для части излучения выполняются условия полного внутреннего отражения. Эта часть излучения, отразившись внутрь кристалла, в конечном счете теряется за счет самопоглощения.

Полное внутреннее отражение может сильно ограничивать

Внешний квантовый выход СИД. Этот эффект особенно ярко выражен в полупроводниках с прямыми переходами, где

Почти все излучение, претерпевшее полное внутреннее отражение, поглощается. В полупроводниках с непрямыми переходами внутреннее поглощение гораздо слабее и, следовательно, излучение имеет большую вероятность дойти до какой-либо поверхности кристалла диода. Потери при прохождении света внутри диодной структуры примерно пропорциональны V/Sχо, где χо— глубина поглощения, V- объём, S-площадь полной поверхности кристалла СИД.

Потери в полупроводниках обоих типов обусловлены высокими показателями преломления материалов, используемых для СИД (n~3,3…3,8), и возрастают при уменьшении ширины запрещённой зоны. Излучение, падающее на поверхность под углом θ, превышающим критический угол претерпевает полное внутреннее отражение. Излучение, падающее под углом, меньшим критического, также частично отражается от непросветленной поверхности. Это френелевские потери. Если на поверхность полупроводника нанести диэлектрическию пленку с соответствующими зна­чениями толщины и показателя преломления, то она будет оказывать просветляющее действие и коэффициент пропу­скания увеличится; критический угол при этом практически не изменяется.

3. Потери на обратное и торцевое излучение (лучи 3 и 4 на рис. 1.20). Генерация в активной области полупровод­ника спонтанная и характеризуется тем, что лучи направ­лены равновероятно во все стороны. Лучи 3, распростра­няющиеся в сторону эмиттера, быстро поглощаются. Активная область нередко слегка отличается значением по­казателя преломления от соседних областей. Поэтому лу­чи 4 вследствие многократных отражений фокусируются вдоль активной области, так что интенсивность торцевого излучения выше, чем в других направлениях выхода света из кристалла.

Количественно эффективность вывода оптического излу­чения из СИД характеризуется коэффициентом вывода т)опт и определяется отношением мощности излучения, вы­ходящего из СИД, к мощности излучения, которая генери­руется внутри кристалла:

ηопт = Р изл/Р ген. (1.25)

Таким образом, внешний квантовый выход η — это ин­тегральный показатель излучательной способности СИД, который учитывает эффективность инжекции γ, электролю­минесценции η_э и вывода излучения ηопт в создании опти­ческого излучения. Иначе, внешний квантовый выход η определяется отношением числа излучаемых квантов к чис­лу проходящих за то же время через СИД носителей за­ряда: -

η=Νф/Ν_э.

3.2. СИД на основе гетероструктур

Наилучшие параметры из­лучения имеют СИД, изготовленные на основе гетероструктур (или гетеропереходов). Рассмотрим основные особенности гетероструктуры более подробно, так как она является базой для изготовления многих типов оптоэлектронных приборов.

Гетеропереходом называют переходный слой, возникающий на гра­нице двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь одинаковый или различный тип электропроводности, и, соответственно, каждая пара полупроводников может образовать четыре гетерострукту­ры: р 1-n₂; n1-n_2; n₂-р2, р_г-р2.Здесь индекс 1 относится к полупровод­нику с широкой запрещенной зоной (широкозонный полупроводник), а индекс 2—к полупроводнику с узкой зоной (узкозонный полупроводник).

При образовании гетероперехода происходит перераспределение носителей заряда, что приводит к появлению контактной разности потенциалов. Уровень Ферми для гетероструктуры в равновесном состоянии единый. На рис. 1.21 изображены энергетические диаграммы излучающей гетеродтруктуры GаА1Аs-GаАs в состоянии равновесия. На металлургпческой границе перехода образуется разрыв (скачок) энергии Δξ = ξ 31 – ξ 32 .

Рис. 1.21. Энергетическая ди­аграмма излучающей

одинарной гетерострук­туры в равновесном состоянии

Таким образом, гетероструктура имеет различ­ные потенциальные барьеры для инжектируемых дырок и электронов.

Движение носителей в равновесном состоянии гетероструктуры определяется носителями заряда только одного типа (для гетероструктуры на рис. 1.21 — электронами). Поэтому при приложении прямого напряжения имеет место односторонняя инжекция — только электронов из широкозонного слоя (эмиттера) в узкозонный слой (базу). Такая структура, содержащая широкозонный эмиттер и узкозонную базу. называется одинарной гетероструктурой.

На ряду с одинарной в СИД используется двойная гетероструктура, в которой имеется дополнительно запирающий широкозонный p3- слой того же, что и база, типа проводимости (рис. 1.22). В двойной гетероструктуре второй потенциальный барьер препятствует выходу электронов из базовой области (зона базы образует потенциальную <яму>, в которой скапливаются инжектированные электроны). Избыточная концентрация носителей в активной (излучающей) области и односторонняя инжекция резко повышают внутренний квантовый выход гетероструктуры, а также ее быстродействие.

Рис. 1.22. Энергетическая ди­аграмма

двойной гетерострук­туры

В самом деле, использование двойной гетероструктуры обеспечи­вает локализацию инжектированных носителей зарядов в базе при уменьшении ее ширины вплоть до нескольких микрометров. Это и позволяет при сохранении внутреннего квантового выхода значительно повысить быстродействие двойных гетероструктур. В одинарной гете­роструктуре при уменьшении ширины базы мощность излучения резко задает, а быстродействие растет незначительно. Для лучших образцов на одинарной гетероструктуре внешний квантовый выход 3—4%, а время переключения 40—80 нс; двойные гетероструктуры имеют примерно такое же значение внешнего квантового выхода, а время переключения 20—30 нс. .

Важно подчеркнуть, что односторонняя инжекция не связана со степенью легирования эмиттериой и базовой областей, как это имеет

Рис. 1.23. Спектральные характеристики базы

и эмиттера гетероструктуры

место в обычном (гомогенном) переходе. В результате она сохраняется до значи­тельных плотностей тока и появляется воз­можность изменения степени легирования областей гетероструктуры без ухудшения инжекции р-п переходов.

Другой отличительной особенностью ге­тероструктур является разница в оптиче­ских свойствах базы и эмиттера. В резуль­тате спектральная характеристика излуче­ния узкозонной базы оказывается сдвину­той в область длинных волн по отношению к спектральной характеристике поглощения широкозонного эмиттера (рис. 1.23). Поэтому излучение выводится из СИД через эмиттер практически без поглощения.

В излучателях с двойной гетероструктурой и удаленной подлож­кой сказывается явление многократного отражения («многопроходный эффект»). Лучи, претерпевающие на внешней границе кристалла гете- $оструктуры полное внутреннее отражение, многократно отразившись @т различных граней кристалла, в конце концов падают на внешнюю границу под таким углом, который дает возможность им выйти нару­жу. Очевидно, что многопроходный эффект является полезным только в том случае, если поглощение излучения в полупроводнике мало. По­глощение в узкозонной базе удается несколько компенсировать с по­мощью фотолюминесценции: поглощение кванта излучения ведет к но­вому акту излучения.

Все преимущества гетероструктур достижимы только при высоком качестве гетероперехода. Для получения качественного гетероперехода необходимо иметь хорошее совпадение параметров структуры по обе стороны от металлургической границы: различие постоянных кристал­лических решеток не должно превышать 0,01%, близкими должны быть и температурные коэффициенты расширения. В тех случаях, когда эти требования не выполняются, высокая концентрация дефектов в области гетероперехода практически сводит к нулю все его преимущества.

3.3. СИД какэлемент оптрона

Светоизлучающие диоды имеют широкой применение. Они используются в качестве излучателей в раз- чнчпы.ч схемах индикации, отображения информации, в волоконно-оптических линиях связи и во многих других технических устройствах,

При этом СИД выступает как отдельный самостоятельный элемент устройства- как дискретный оптоэлектронный прибор — или может входить в состав другого оптоэлектронного прибора или оптоэлектронной микросхемы - оптрона. В этом случае излучающая структура должна обеспечить одновременно высокую мощность излучения, возможно более узкую диаграмму направленности и высокое быстро-

действие. Только при этом сочетании параметров излучатель хорошо согласуется с фотоприёмником оптрона и характеристики оптрона оптимальны. Для обычных СИД , не входящих в состав оптрона, требования обычно существенно ниже. Кро­ме того, СИД могут иметь низкое быстродействие, т.е. низкую скорость преобразования электрической энергии в световую.

4. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СИД

4.1. Излучательная характеристика

В зависимости от способа приема излучения СИД — визуального или невизу­ального — оптические свойства СИД описываются световыми или энергетическими параметрами. При визуальной передаче информации от СИД в случае их применения в знаковых индикаторах, при подсветке надписей и пуско­вых кнопок, для индикации состояния электронного устройства и т. п. приемником излучения служит челове­ческий глаз. Невизуальная передача информации характе­ризуется тем, что обнаружение потока “излучения от СИД, работающего обычно в ИК-диапазоне (ИК-диод), исклю­чает человеческое зрение и осуществляется физическим фотоприемником. К невизуальной области применения СИД относятся, например, устройства считывания с пер­фокарт и перфолент вычислительных машин, всевозмож­ные оптические устройства связи и сигнализации.

Эффективность СИД характеризуют зависимостями па­раметров оптического излучения от прямого тока через СИД и от длины волны излучения. Зависимость потока излучения Ф_е от прямого тока I_пр приводится для ИК-дио­дов и называется излучательной характеристикой (рис. 1.24). Для СИД визуального, применения излуча­тельная характеристика задается обычно зависимостью силы света 1_υ от прямого тока I_пр. В качестве параметра электрического режима выбран прямой ток через СИД, а же напряжение на СИД. Это связано с тем, что р-п пере­ход СИД включен в прямом направлении и электрическое- сопротивление СИД мало. Поэтому можно считать, что прямой ток через СИД задается внешней цепью, изменя­ется в широком диапазоне и легко измеряется.

При малых токах I_пр велика доля рекомбинационной оставляющей тока и коэффициент инжекции в соответст- ппп с выражением (1.23) мал. С ростом прямого тока по­ток излучения сначала быстро увеличивается до тех пор, пока в токе диода не становится преобладающей диф­фузионная составляющая тока.

Ф_е,Вт

0

Iпор

0 0,5 1,0 1,5

I │ │ │ │

О 10 20 30 1 nр мА

Рис. 1.24 . Излучательная характеристика СИД:

1 – участок характеристики при малых токах;

2 – участок характеристики при больших токах

Дальнейшее увеличение I_пр приводит к постепенному насыщению центров люминесценции и снижению излучательной способности СИД. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. Совместное действие рассмотренных механизмов влияния прямого тока на

силу излучения приводит к тому, что излучательная ха­рактеристика имеет максимум при некотором определенном токе. Максимальная сила излучения зависит от площади геометрии излучающего р-п перехода и от размеров электрических контактов.

4.2. Спектральная характеристика

Зависимость параметров излучения от длины волны оптического излучения (или от энергии излучаемых фотонов) называется

Рис. 1.25. Спектральные характеристики СИД

спектральной характеристикой СИД. Длина волны излу­чения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. В связи с разной шириной запрещенной зоны различных материалов длина волны излучения раз­лична в разных типах СИД. Примеры спектральных ха­рактеристик СИД на осно­ве GаР и SiС с различными примесями приведены на рис. 1.25. Так как переход электронов при рекомбина­ции носителей заряда обыч­но происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами энергетических уровней, то спектр излуче­ния оказывается размытым. Спектральный диапазон СИД характеризуют шириной спектра излучения Δλ 0,5 , из­меряемой на высоте 0,5 максимума характеристики. Излу­чение большинства СИД близко к квазимонохроматическому (Δλ/λmax<<1) и имеет относительно высокую на­правленность распределения мощности в пространстве.

η , V( λ)

Рис. 1.26. Согласование спектральной характеристи­ки

СИД и относительной световой эффективности

Независимо от того, насколь­ко эффективен СИД, выходное излучение даже большой мощно­сти не будет зарегистрировано, если длина волны излучения не соответствует спектру излучения, на который реагирует фотопри­емник. В огромном большинстве случаев применения СИД дол­жен быть спектрально согласо­ван либо с человеческим глазом, либо с кремниевым фотоприем­ником. Диапазон спектральной чувствительности фотоприемника составляет примерно 300—1100 нм. Человеческий глаз об­ладает существенно более узким диапазоном чувствитель­ности с практически полезной областью 400—700 нм. Для эффективной работы пары излучатель — приемник необхо­димо тщательное согласование спектральных характери­стик этих приборов.

Например, при согласовании- с человеческим глазом СИД на основе GаАsР согласование обеспечивается вы­бором такой длины волны, на которой произведение отно­сительной световой эффективности глаза V (λ) и кванто­вого выхода СИД η является максимальным, т. е.

V (λ) η(λ)=mах. (1.27)

Этот максимум достигается при λ = 655 нм (рис. 1.26) — красный цвет излучения.

У СИД, имеющих более короткие длины волн излуче­ния (например, с λmах=565 нм — зеленый цвет и λтах =585 нм — желтый цвет), значение η обычно существенно ниже, чем у СИД красного цвета. Однако относительная чувствительность глаза при такой длине волны значитель­но больше.

В результате удается получить набор излучателей от красного до зеленого цвета свечения, которые имеют одно и тоже значение произведения V (λ)η (с точностью до порядка величины).

На рис. 1.27 представлены для сравнения спектральные харктеристики различных СИД, а также спектральные харктеристики чувствительности человеческого глаза и фотодиода в относительных единицах. Следует подчеркнуть особенности спектрального согласования СИД с фотодио­дом. С одной стороны, такое согласование по сравнению с согласованием с человеческим глазом облегчается, так как спектральный диапазон фотодиода значительно шире. С другой стороны, спектральное согласование не всегда является решающим фактором эффективной работы пары СИД — фотоприемник.

GаAsРN GаAsР GаAs

Рис. 1.27. Нормированные спектральные характеристики

глаза V(λ), СИД и кремниевого фотодиода (пунктир)