Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
отрица-
Т-300К
6a/!si-x Р%
'.=1,0
0,85 у 0,65'
-'VTT
ТЗона проводимости
-hti
I
'Вамнт 'мая зона \
Волнодой 6екто р. к
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 6a/1s GaP
Молярная доля 6а Р х
а 5
Рис. 8. Зависимость ширины энергетических зазоров (а) для прямого (Г) и
непрямого (X) минимумов зоны проводимости от состава GaAsi_xPa; [20] и
внергетическая зонная структура GaAsi.^P^ (б). Значения состава
соответствуют красному (я = 0,4), оранжевому (0,65), желтому (0,85) и
зеленому свету
282
Глава 12
GaASf-x Рх Ж К С азотом
О 0,2 0,4 0,6 0,8
Состав соединения х
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Состав соединения х
Рио. 9. Зависимость квантовой эффективности (а) и длины волны,
еоотвегству* ющей максимуму излучения (б), от состава соединения при
наличии и в отсутствие изоэлектронной примеси азота [31].
тельно центр затем захватывает дырку из валентной зоны, формируя
связанный экситон. Последующая аннигиляция этой электронно-дырочной пары
приводит к рождению фотона с энергией, примерно равной разности между
шириной запрещенной зоны и энергией связи центра. Так как захваченный
электрон сильно локализован на центре, его импульс рассеивается. Таким
образом обеспечивается преобразование квазиимпульса, вследствие чего
вероятность прямого перехода существенно возрастает. В непрямозонных
материалах, таких, как GaP, описанный механизм излуча-тельной
рекомбинации является преобладающим.
На рис. 9, а приведена зависимость квантовой эффективности от состава
GaAs^P^. при наличии и в отсутствие изоэлектронной примеси азота [31 ].
Резкое уменьшение эффективности излучения GaAs^P^. без примеси азота в
диапазоне 0,4 < х < 0,5 обусловлено изменением механизма рекомбинации:
при х = 0,45 преобладающими становятся непрямые переходы. Наличие азота
обеспечивает более высокие значения эффективности при х > > 0,45, однако
последняя все же постепенно уменьшается с ростом х вследствие увеличения
разности глубин прямой и непрямой запрещенных зон (рис. 8, б). Кроме
того, длина волны максимума излучения для соединений, легированных
азотом, смещается под влиянием энергии связи изоэлектронного центра (рис.
9, б).
Светодиоды и полупроводниковые лазеры
283
Конструкции и характеристики светодиодов. Среди светодиодных структур
основной является структура с плоской геометрией (рис. 10). Обычно
прямозонные светодиоды (красное излучение) формируются на подложках GaAs
(рис 10, а), тогда как непрямозонные (оранжевое, желтое и зеленое
излучения) - на подложках GaP (рис 10, б). При использовании подложки
GaAs на нее эпитаксиально наращивается переходный слой GaAs^Px
переменного состава с х, изменяющимся в пределах 0-0,4, а затем слой
GaAs^P* с постоянным составом. Переходная область ограничивает
образование безызлучательных центров, обусловленных различием решеток.
Фотоны, генерируемые в области перехода, испускаются во всех
направлениях, однако наблюдателя достигает лишь та их часть, которая
проходит через поверхность.
Уменьшение количества излучаемых светодиодом фотонов обусловлено
поглощением в материале светодиода, потерями за счет отражения и потерями
за счет полного внутреннего отражения. Потери, связанные с поглощением,
весьма существенны в светодиодах на подложках GaAs (рис. 10, а), так как
в этом случае
И
р-область, полученная диррузией Zn
^ i41 III.
Эпитаксиаль -ный слой
Ga/!$f-x Рх (х* 0*0,4)
а
Излученные
(ротоны
Зпитаксиаль-ныи слой Ga/JSf-x Рх
St02
Отражающий контакт
В
Рис. 10. Прохождение света, излучаемого переходом в структурах с непро-
ерачной (а) и прозрачной подложками (б) [3].
284
Глава 12
подложка непрозрачна для света и поглощает примерно 85 % фотонов,
излучаемых переходом. В светодиодах на подложках GaP (рис. 10, б) фотоны,
испускаемые в направлении тылового контакта, могут отражаться от него,
при этом поглощение составляет ~25 %, и эффективность излучения может
быть суще* ственно увеличена. При переходе фотонов из среды с показателем
преломления й2 (например, из GaAs с п2 = 3,66) в среду с показателем
преломления щ (например, в воздух с hi = 0,1) часть света претерпевает
отражение от границы раздела сред в обратном направлении. Эти потери
называются потерями отражения. При нормальном падении света коэффициент
отражения равен
Третий фактор обусловлен полным внутренним отражением света, падающего на
границу раздела под углом, больше критического угла 6С, определяемого
выражением
Для GaAs критический угол составляет ~16°, а для GaP с = 3,45 он равен --
17Р.
При плоской геометрии (рис. 10, а) луч А ослабляется вследствие
поглощения, а также частично из-за потерь на отражение. Лучи В, которые
приходят к границе раздела полупроводник - воздух под углами 0 0с,
претерпевают полное внутреннее
отражение. Полная эффективность преобразования электрического сигнала в
оптический дается выражением [32]
где Р - мощность на входе; An2nii(n2 + ^i)2 - коэффициент передачи,
равный Ahd{n2 4- I)2 для границы раздела полупроводник - воздух; (1 - cos
