Принципы конструирования светодиодов

К числу важных параметров светодиода относится внешний квантовый выход , т.е. отношение количества фотонов, излученных в единицу времени во внешнюю среду, к количеству носителей, прошедших через р – n -переход. Он определяется следующим выражением:

                                                   (2.12)

где η₀ – коэффициент вывода света или оптическая эффективность.

Для односторонней инжекции

,                                               (2.13)

где γ – коэффициент инжекции; Т – коэффициент пропускания света материалом; Г – коэффициент вывода света через границу раздела полупроводник – внешняя среда.

Одним из факторов, влияющих на величину η₀,является поглощение света полупроводником. В полупроводниках с непрямыми переходами потери излучения при этом невелики, так как коэффициент поглощения света для таких полупроводников незначителен. Например, для GaP он составляет 2–10 см^-1. В приборах на основе полупроводников с прямыми переходами возникает высокий коэффициент поглощения света =10³…10⁴ см^-1. Поэтому оптическая эффективность будет зависеть от глубины залегания р – n -перехода, которую с целью увеличения   уменьшают до величины, равной 1–2 мкм. Другим способом повышения коэффициента вывода света является использование зависимости энергии фотонов от механизма излучательной рекомбинации (рис. 2.6). При этом n -область легируют значительно сильнее, чем р -область, вследствие чего излучательная рекомбинация происходит в р -области. Вывод света осуществляют через n -область, поскольку коэффициент поглощения света в ней значительно меньше, чем для р -области.

Кроме поглощения в объеме полупроводника, потери излучения происходят также при выводе его через границу раздела полупроводник – воздух. Это является следствием высокого показателя преломления материалов (), из которых изготавливаются светодиоды (для полупроводниковых материалов =3,3–3,6). Наружу выходит только то излучение, которое падает на поверхность раздела под углом, меньшим критического (Θ_кр=arcsin ^-1). Для GaP этот угол составляет 17,7°. Такие потери излучения наиболее заметны в светодиодах, имеющих плоскую конструкцию (рисунок 2.7, а). С целью увеличения критического угла на поверхность полупроводника наносят различные соединения, в частности, полимерные компаунды с показателем преломления .

Рис. 2.7. Конструкции светодиодов: а – плоская; б –усеченный конус; в – полусфера

Высокий показатель преломления полупроводника является также причиной сильного отражения излучения от границы раздела при углах падения, меньших критического. Для уменьшения коэффициента отражения применяют просветляющие (антиотражающие) покрытия с показателем преломления  (где  и  – коэффициенты преломления материала и среды). Толщина просветляющего покрытия определяют из условия: , где m – целое число.

В качестве просветляющих покрытий применяются пленки Si0₂ ( =1,46 для λ=550 нм и 1,44 для λ=2 мкм), А1₂О₃ ( =1,6 для λ=550 нм и 1,55 для λ=2 мкм), Eu₂O₃ ( =1,9), А1₂О₃-ZrO₂ и др. Следует отметить, что условие выбора толщины покрытия справедливо для узкого диапазона длин волн. Если есть необходимость увеличить Г в широком диапазоне спектра, применяют многослойные покрытия.

Высокое значение коэффициента вывода света во внешнюю среду можно также получить, если применить специальные конструкции приборов (рисунки 2.7, б и в). Коэффициенты вывода света для конструкций приборов, указанных на рисунке 2.7, соответственно равны 1,3; 20 и 37%. Наилучший выход может быть обеспечен в гетеропереходе, использующем эффект широкозонного окна (рисунок 2.8).

Для изготовления светодиодов для инфракрасной области спектра 1-1,55 мкм используют прямозонные твердые растворы Gа_xIn_1-xР_yАs_1-y и Gа_xIn_1-xАs с квазимежзонной излучательной рекомбинацией (когда примесные уровни сливаются с краем зоны).

Рис 2.8. Поверхностно-излучающий светодиод двойной гетероструктуры А lGaAs, совмещенный со стекловолокном

На основе GaP с запрещенной зоной 1,424 эВ (300 К) выпускаются наиболее эффективные инфракрасные светодиоды для области спектра 0,86-0,95 мкм При комнатной температуре в GаАs реализован внутренний квантовый выход более 95%. Важно, что спектр излучения GаАs(Si) светодиодов с =0,95 мкм согласуется со спектральной чувствительностью кремниевых фотодиодов.

Для красной области спектра делают светодиоды из прямозонных Аl_xGa_1-xAs и Gа_xР_xАs_1-x (х 0,4) с квазимежзонной рекомбинацией, а также из непрямозонного GаР, легированного цинком н кислородом. Светоотдача светодиодов на двойных гетероструктурах, например, в системе Аl_xGa_1-xAs порядка 10 лм/мА. Светодиоды для оранжевой, желтой и зеленой областей спектра изготавливают из непрямозонного Gа_xР_xАs_1-x (х>0,6) и GаР:N. Для изготовления светодиодов используют также Gа_xIn_1-xР, GаInАlР, SiC.

Начат промышленный выпуск светодиодов с излучением в диапазоне от фиолетового до зеленого света на основе двойных герероструктур из          In_1-xGа_xN, (содержание In увеличивается по мере сдвига к зеленому цвету) с квантовой ямой и электронным ограничением слоями Аl_xGa_1-xN. Синие светоды (450–479 нм) обеспечивают силу света 2 кд при светоотдаче 3 лм/Вт (КПД 10%), зеленые (525 нм) – 12 кд и 22 лм/Вт (6%). Изготавливаются светодиоды с нанесенным на поверхность кристалла люминофором, осуществляющим спектральное преобразование рекомбинационного излучения. Такое решение позволило получить светодиоды с белым излучением.

Срок службы полупроводниковых светодиодов обычно составляет 10⁵-10⁶ часов и при возрастании окружающей температуры на 10-30 К снижается примерно вдвое.

Полупроводниковые светодиоды, как и лазеры, компактны, экономичны, имеют высокое быстродействие, интегрируются с другими полупроводниковыми приборами и являются базовыми элементами современной оптоэлектроники. Область их применения чрезвычайно обширна: индикаторы для отображения информации, системы автоматического контроля, различного рода датчики, системы накачки, инфракрасной подсветки, связи на короткие расстояния и др. Объемы их производства в мире – сотни миллионов штук в месяц.