Главная -> Книги

(0) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) ( 18 ) (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26) (27) (28) (29) (30) (31) (32) (33) (34) (35) (36) (37) (38) (39) (40) (41) (42) (43) (44) (45) (46) (47) (48) (49) (50) (51) (52) (53) (54) (55) (56) (57) (58) (59) (60) (61) (62) (63) (64) (65) (66) (67) (68) (69) (70) (71) (72) (73) (74) (75) (76) (77) (78) (79) (80) (81) (82) (83) (84) (85) (86) (87) (88) (89) (90) (91) (92) (93) (94) (95) (96) (97) (98) (99) (100) (101) (102) (103) (104) (105) (106) (107) (108) (109) (110) (111) (112) (113) (114) (115) (116) (117) (118) (119) (120) (121) (122) (123) (124) (125) (126) (127) (128) (129) (130) (131) (132) (133) (134) (135) (136) (137) (138) (139) (140) (141) (142) (143) (144) (145) (146) (147) (148) (149) (150) (151) (152) (153) (154) (155) (156) (157) (158) (159) (160) (161) (162) (163) (164) (165) (166) (167) (168) (169) (170) (171) (172) (173) (174) (175) (176) (177) (178) (179) (180) (181) (182) (183) (184) (185) (186) (187) (188) (189) (190) (191) (192) (193) (194) (18)

сложного многоступенчатого процесса с участием трех частиц. При этом энергия излученных квантов света меньше энергии запрещенной зоны полупроводника hv<Eg. Кроме того, для создания полупровод-HHKOBbix индикаторов используется прием преобразования инжекцион-ного рекомбинационного ИК излучения в видимое в антистоксовом люминофоре. Ввиду низкого КПД стоксового преобразования последний способ не нашел широкого применения. На рис. 5.2 представлена энергетическая диаграмма рассмотренных механизмов излучения света в полупроводниках.

5.2. ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

По виду инжекции неосновных носителей ПП ЗСИ можно разделить иа электролюминесцентные на основе униполярных полупроводников и полупроводников с р-п переходом. Эффективность инжекции неосновных носителей в униполярных полупроводниках достигает 1 % при и=7-15 в, а в гомо- и гетерогенных р-п переходах-до 100% при (7=1,5-3 в. Следовательно, наиболее целесообразной структурой ПП ЗСИ является структура, основанная на излучательной рекомбинации в объеме «активной» области р-п перехода при инжекции неосновных носителей заряда через гомогенный или гетерогенный р-п переход под действием прямого напряжения.

Первым материалом для светоизлучающих диодов был карбид кремния (SiC). Но он почти не нашел практического воплощения ввиду малого КПД (10-3-iq~2 o/j необходимости применения высокотемпературного оборудования до 1500-2500 °С, малой скорости роста пластин, небольшого их размера и высокой себестоимости полученных готовых приборов. Лучшими свойствами обладают полупроводниковые соединения, состоящие из двух- трех элементов П1 и V групп периодической системы. Часть из них представлена в табл. 5.1. При создании ПП ЗСИ обычно используют исходные полупроводниковые структуры соединений а"в и их твердых растворов, полученных эпитак-сией из жидкой или газовой фазы. Причем излучающие р-п переходы формируют либо в процессе эпитаксиальною наращивания, либо диффузией акцепторной примеси в эпитаксиальный и-слой.

Дли производства ПП ЗСИ наиболее распространены эпитаксиаль-ные структуры непрямозонного соединения GaP. Это обусловлено тем.

Таблица 5.1. Материалы для полупроводниковых ЗСИ

Состав основного материала

Материал примеси

go. ca >.

< в

Метод получения р-п перехода

Длина волны излучения, нм

Цвет свечения

QaASo.ePo,,

GaAs

Диффузия

650 - 670

Красный

О,650,353

GaAs

Эпитаксиаль-

650 - 670

ный рост

GaAsogPogs

Диффузия

570-590

Желтый

Эпитаксиаль-

555-570

»

ный рост

Zn -0

То же

690-710

Красный

1по,зОао,,Р

Диффузия

580 - 600

Желтый

Эпитаксиаль-

555-565

Зеленый

ный рост

Примечай не. ГФЭ - газофазная эпитаксия: ЖФЭ - жндкофазная j

эпитаксня.



что в GaP для разных примесей-активаторов удается получить эффективную люминесценцию в красной, желтой и зеленой областях спектра. Существенным недостатком полупроводниковых индикаторов красного и желтого цветов свечения на основе GaP является сублинейная зависимость электролюминесценции от тока, что резко ограничивает возможности мультиплексного управления. Поэтому при изготовлении индикаторов красного и желтого цветов свечения чаще всего используют прямозонные твердые растворы бинарных соединений А"В в системах GaAs-GaP и GaAs-AlAs.

Достаточно эффективные индикаторы получаются из структуры типа GaAsi-:tPa:. Состав структуры определяет спектр излучения. Так, для 40 % GaP индикаторы излучают красный цвет, а для 85 %- желтый.

Более эффективными являются структуры типа AlGaAs, имеющие квантовый выход в 4-5 раз больше, чем GaAsP. На основе этих структур созданы приборы с силой света до 40 мкд (яркость >5000 кд/м) при плотности тока 5 А/см. Из других трехкомпонент-ных структур следует отметить InP-GaP На их основе создаются индикаторы красного, оранжевого и желтого цветов свечения.

В последние годы исследуют возможность создания индикаторов на основе четырехкомпонентных твердых растворов, например типа InxGai-xPi-zAsz. При одновременном изменении индексов х и z можно выращивать многослойные гетероструктуры с согласованными постоянными решетками и с высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации. Наиболее трудно создаются индикаторы синего и голубого цветов свечения. В табл. 5.2 приведена краткая характеристика

Таблица 5.2. Материалы, используемые для голубой области спектра

Материал

Структура

Цвет

Максимальная длина волны, нм

Квантовая эффективность, %

Фиолетово-синий

0,02

Синий

0,05

ZnSe

0,001

Фиолетовый

0,005

Голубой

0,00!

материалов для синей и голубой областей спектра, а в табл. 5.3- характеристики отдельных конструкций светодиодов (СИД) с антистоксовыми люминофорами, в которых используется принцип преобразования инфракрасного излучения в видимое с помощью люминофора.

Одной из причин, препятствующих созданию полупроводниковых ЗСИ с излучением в сине-голубой области спектра, является невозможность формирования р-п переходов в указанных в табл. 5.2 материалах известными в настоящее время методами.

Существенный недостаток люминофоров для синего и голубого цветов свечения - малый КПД. Даже при весьма высоком уровне возбуждения лучший голубой люминофор имеет КПД в 70 раз ниже, чем КПД существующих зеленых и красных люминофоров. Для голубой области светоотдача почти в 7 раз ниже, чем для зеленой.

Одной из важнейших задач, стоящих перед разработчиками ПП ЗСИ, является усовершенствование технологических процессов выращивания эпитаксиальных слоев за счет: более точного контроля химического состава слоя; сведения к минимуму дефектов структуры; повышения точности контроля толщины слоя; возможности управления удельной проводимостью материала.



Таблица 5.3. Синие и голубые СИД с антистоксовыми люминофорами

Люминофор

Длина волны, цвет излучения, нм

Тип СИД

Эффектив ность преобразования, %

ВаУ„,вУЬ„,„9Тт„.„„1Р5 Уо esYbo.ssTfflo,0013

Jo 87Ybo 1зТтр ooiOSj o.esYtiQ.ssTrno.ooia

480, голубой

470, сине-голубой

475, голубой 475, голубой

Куполообразный

(У=!,5 В; /=200 А/см2) Куполообразный (У=!,5 В; /=300.4/сма) Плоский Плоский 0 = 165 А/смЗ)

0.03

0,011

0,00045 0,0004

Примечание. U -питающее напряжение; j-плотность потребляемого тока.

5.3. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

Из всего многообразия конструктивных решений ПП ЗСИ наиболее применяемыми на практике являются следующие пять базовых конструкций бескорпусные монолитные многоэлементные, монолитные многоразрядные, гибридные, гибридные, основанные на принципе рассеяния света, многоэлементные со встроенными схемами управления. Для монолитной одно- и многоразрядной конструкции прибора характерно расположение светоизлучающих элементов на одной общей полупроводниковой пластине, а для гибридной светоизлучающие элементы устанавливаются по одному на определенных участках и по определенной структурной схеме на кристаллодержателе

Преимущество монолитных индикаторов в том, что они дают возможность создавать большое число светящихся элементов любой конфигурации с любым взаимным расположением элементов Их недоста ток -высокий расход полупроводниковою материала Для монолитных




Рис. 5.3. Конструктивно-технологические варианты монолитных полупроводниковых ЗСИ



(0) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) ( 18 ) (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26) (27) (28) (29) (30) (31) (32) (33) (34) (35) (36) (37) (38) (39) (40) (41) (42) (43) (44) (45) (46) (47) (48) (49) (50) (51) (52) (53) (54) (55) (56) (57) (58) (59) (60) (61) (62) (63) (64) (65) (66) (67) (68) (69) (70) (71) (72) (73) (74) (75) (76) (77) (78) (79) (80) (81) (82) (83) (84) (85) (86) (87) (88) (89) (90) (91) (92) (93) (94) (95) (96) (97) (98) (99) (100) (101) (102) (103) (104) (105) (106) (107) (108) (109) (110) (111) (112) (113) (114) (115) (116) (117) (118) (119) (120) (121) (122) (123) (124) (125) (126) (127) (128) (129) (130) (131) (132) (133) (134) (135) (136) (137) (138) (139) (140) (141) (142) (143) (144) (145) (146) (147) (148) (149) (150) (151) (152) (153) (154) (155) (156) (157) (158) (159) (160) (161) (162) (163) (164) (165) (166) (167) (168) (169) (170) (171) (172) (173) (174) (175) (176) (177) (178) (179) (180) (181) (182) (183) (184) (185) (186) (187) (188) (189) (190) (191) (192) (193) (194)