Зонная диаграмма p-n гетероперехода в синем светодиоде

СВЕТОДИОДЫ СИНЕГО СВЕТА

Эффективные светодиоды для зеленовато-голубой, голубой, синей и фиолетовой областей спектра можно сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны:

- карбид кремния SiC, SiC – непрямозонный полупроводник, мал квантовый выход;

- соединения группы A^IIB^VI, ZnSe – прямозонный полупроводник, большой квантовый выход, малый ресурс и большое электрическое сопротивление;

- нитриды группы A^IIIB^V, GaN – прямозонный полупроводник (E _g = 3.5 эВ), AlN - прямозонный полупроводник (E _g = 6.5 эВ), InN – прямозонный полупроводник (E _g = 1.8 эВ).

Бинарные соединения допускают образование тройных твердых растворов Ga1–xInxN, Ga1–xAlxN. В ряду Ga1–xInxN можно так подобрать параметр х, что энергия Eg будет отвечать фиолетовой, голубой или зеленой области спектра.

Еще в 70-х годах группа Ж. Панкова из лаборатории компании IBM создала фиолетовые и голубые диоды на основе эпитаксиальных пленок GaN. Квантовый выход был достаточен для практики (доли %), но срок их службы был ограничен. В р- области p-n перехода концентрация дырок была мала, и сопротивление диодов оказалось слишком большим, они довольно быстро перегревались и выходили из строя.

В начале 80-х годов Г.В. Сапарин и М.В. Чукичев в Московском государственном университете обнаружили, что после действия электронного пучка образец GaN, легированный Zn, локально становится ярким люминофором. Но причину яркого свечения - активацию акцепторов Zn под влиянием пучка электронов - тогда понять не удалось.

Эту причину раскрыли И.Акасаки и Х.Амано из Нагойского университета: примесные атомы Zn - акцептор при росте кристалла реагировали с неизбежно присутствующими атомами водорода, образовывали нейтральный комплекс Zn-H⁺. Обработка электронным пучком разрушала связи Zn-H⁺ и возвращала атомам Zn акцепторную роль. Поняв это, японские ученые сделали принципиальный шаг в создании p-n переходов из GaN. Для аналогичного акцептора - Mg - было показано, что обработкой сканирующим электронным пучком можно р- слой GaN с примесью Mg сделать ярко люминесцирующим, имеющим большую концентрацию дырок, которая необходима для эффективной инжекции дырок в p-n переход. Авторы заявили патент на эффективное легирование GaN р- типа.

В 1989 г. Ш. Накамура начал исследования пленок нитридов элементов III группы, выращенных методом газовой эпитаксии из металлорганических соединений. Он заменил обработку электронным пучком нагревом в атмосфере N₂. Водород взаимодействовал с азотом, образуя NH₃, и не препятствовал атомам Mg работать акцепторами. Подобранными режимами легирования и термообработки были получены эффективно инжектирующие слои р- типа с большой концентрацией дырок в GaN-гетероструктурах. В технологии были учтены особенности легирования примесями Mg и Zn. Максимумы голубого и зеленого света с яркостями 1 и 2 кд приходились на 460 и 520 нм, а внешний квантовый выход составил 3 и 2%.

Спектры электролюминесценции светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN (сплошные линии) и AlInGaP/GaP (штриховые)

Зонная диаграмма p-n гетероперехода в синем светодиоде

Энергетическая диаграмма p-n гетероструктуры типа InGaN/AlGaN/GaN при прямом смещении U. Черными стрелками показана инжекция электронов и дырок в активную область p-n гетероструктуры. Попадая в узкие и достаточно глубокие ямы, электроны и дырки оказываются запертыми в них. Если активный слой (с узкой запрещенной зоной E _g1) содержит малое количество дефектов, электронно-дырочные пары рекомбинируют с излучением кванта E _g1 (цветная стрелка)

Инжектированные электроны и дырки рекомбинируют, передавая свою энергию либо квантам света h n (излучательная рекомбинация), либо, через дефекты и примеси, - тепловым колебаниям решетки (безызлучательная рекомбинация). Вероятность излучательной рекомбинации пропорциональна концентрации электронно-дырочных пар, поэтому наряду с повышением концентраций основных носителей в p- и n -областях желательно уменьшать толщину активной области, в которой идет рекомбинация. В обычных p-n переходах эта толщина не может быть меньше диффузионной длины - среднего расстояния, на которое диффундируют инжектированные носители заряда, пока не рекомбинируют.

В гетероструктуре между внешними p- и n -областями полупроводника с большими величинами ширины запрещенной зоны E _g2, E _g3 расположен тонкий слой с меньшей шириной E _g1. Толщину этого слоя d можно сделать очень малой, порядка сотен или даже десятков атомных слоев. На гетерограницах слоя образуются потенциальные барьеры для электронов D E _c и дырок D E _v. Если приложить к переходу прямое смещение, возникнет инжекция электронов и дырок с обеих сторон в узкозонный слой. Электроны будут стремиться занять положения с наименьшей энергией, спускаясь на дно потенциальной ямы в слое, дырки устремятся вверх - к краю валентной зоны в слое, где минимальны их энергии.

Широкозонные внешние части гетероперехода можно сильно легировать с обеих сторон, добиваясь больших концентраций в них равновесных носителей. И тогда, даже не легируя активную узкозонную область примесями, удается достичь при инжекции значительных концентраций неравновесных электронно-дырочных пар в слое. Отказ от легирования активной области принципиально важен, поскольку атомы примеси могут служить центрами безызлучательной рекомбинации. Попав в яму, инжектированные электроны наталкиваются на потенциальный барьер D E _c, дырки - на барьер D E _v, перестают диффундировать дальше и рекомбинируют в тонком активном слое с испусканием фотонов.

Кристалл полупроводника должен быть по возможности бездефектным, как и границы между разными слоями, поскольку дефекты на них (дислокации) тоже порождают безызлучательную рекомбинацию. В гетероструктурах соединений типа A^IIIB^V могут быть созданы практически идеальные границы.