Метод вплавления наиболее прост, однако таким спо собом трудно получить хороший источник света, так как процесс создания р—п перехода при этом практически
невозможно |
контролировать. Для |
создания |
вплавного |
р—п перехода обычно используют |
сплав, содержащий |
акцепторную |
примесь, поскольку |
исходный |
материал, |
как правило, имеет электронную проводимость. Напри мер, для изготовления вплавного р—п перехода в карби де кремния, легированном азотом, применяют сплав кремния с алюминием. Таблетку сплава помещают на пластину полупроводника и нагревают ее на короткое время. Чтобы соединение было прочным, сплав должен иметь коэффициент лилейного расширения, близкий к коэффициенту расширения исходного полупроводника.
Для создания диффузионного р—п перехода пласти ны полупроводника и таблетку металла, создающего акцепторные уровни в полупроводнике (обычно цинк), помещают в кварцевую ампулу, которую затем откачи вают до давления 10-5 мм рт. ст., отпаивают и прогре вают ее в электрической печи сопротивления в течение нескольких часов при температуре около 1 000 °С. (Ме тод создания диффузионных р—п переходов в карбиде кремния несколько сложнее, его мы рассмотрим подроб нее позже.) Этот метод позволяет получить переходы с равномерным свечением по большой площади. Диф фузионные р—п переходы обычно имеют более высокий к. п. д., чем вплавные.
Эпитаксиальные методы создания р—п переходов во многом сходны с методами получения самих исходных монокристаллов. При жидкостной эпитаксии пластины помещают в расплав полупроводника, содержащий акцепторные примеси. Перед наращиванием слоя с ды рочной проводимостью несколько увеличивают темпера туру расплава, с тем чтобы растворить поврежденный поверхностный слой пластины. После этого температуру медленно понижают, в результате чего на пластинах нарастает слой p-типа толщиной в несколько десятков микрон. Полученные таким методом р—п переходы имеют наиболее высокий квантовый вход электролюми несценции.
При газовой эпитаксии над нагретой пластиной полу проводника пропускают пары этого полупроводника и пары акцепторов, в результате чего на пластине нарас тает слой p-типа. Этот метод намного сложнее в апла-
ратурном отношении, чем метод жидкостной эпитаксии, так как для его осуществления необходима многозонная печь с точной регулировкой температуры в каждой зо не. Процесс газовой эпитаксии более сложен, но в то же время и более гибок. Методом газовой эпитаксии удает ся получать весьма совершенные кристаллы твердых растворов с переменным составом, медленно изменяя температуру в соответствующих зонах печи.
Для создания омических контактов на поверхность полупроводниковой пластины наносят пленку металла с большой работой выхода — золота, никеля или сереб ра. Толщина пленки порядка одного микрона. К основ ному металлу добавляют присадку, создающую в полу проводнике донорные уровни, если хотят получить низ коомный контакт к материалу п-типа и присадку, со здающую акцепторные уровни, если нужен контакт к материалу p-типа. В некоторых случаях для улучше ния механических свойств контактов их изготавливают из трех различных металлов, которые наносят на по верхность полупроводника напылением в вакууме или же химическим осаждением. После этого образец про гревают. Сопротивление низкоомных контактов, приве денное к единице площади, не превышает 10~5— 10~4 Ом-см“2. Иногда один из контактов делают про зрачным, чтобы избежать излишнего поглощения света. Для этого, например, на поверхность полупроводника осаждают пленку двуокиси олова. В других случаях кон такт к базе делают не по всей поверхности, а в виде точки.
После нанесения контактов пластины режут на кри сталлы размером 0,5X 0,5 мм — 2 x 2 мм. Каждый из этих кристаллов идет для изготовления одного источни ка света. После резки пластин боковые поверхности кри сталлов либо подшлифовывают для уменьшения токов утечек, либо подвергают химическому травлению. Для некоторых полупроводников, например арсенида галлия, хорошие результаты дает раскалывание пластин по плос костям спайности.
При помещении кристалла в корпус его обычно при паивают к кристаллодержателю одним из контактных слоев. К другому контактному слою припаивают вывод в виде тонкой проволочки,'после чего корпус герметизи руют. Широкое распространение получила также бескор-
пусная герметизация |
р—п переходов. В этом |
случае |
к обоим контактам |
припаивают металлические |
прово |
Рис. 10.1. Схематический вид инжекционного источника света прямоугольной конфигу рации:
1 — полупроводник гс-типа; 2 — слой р-типа; 3 — контакт к слою р-типа; 4 — контакт к базе светодиода; 5 — подводящие провода; 6 — р—п пе
реход. (Стрелками показан ход лу чей света.)
лочки, после чего кристалл заливают жидкой прозрач ной пластмассой, которая за твердевает в виде шарика, обволакивающего кристалл. Заключенный в корпус или герметизированный инжекционный источник света для краткости обычно называют светодиодом.
На рис. 10.1 схематически показан вид источника света простейшей конструкции. Излучение, возникающее в р—п переходе, может вый ти через лицевую грань
только в том случае, если sincpcl/'n, где ф — угол паде ния. В противном случае лучи света испытывают полное внутреннее отражение от поверхности кристалла, после чего они поглощаются в материале базы или на нижнем контакте. В результате к. п. д. таких источников не пре вышает 2—4%, даже если внутренний квантовый выход близок к единице. Отношение внешнего квантового вы хода к внутреннему можно несколько увеличить, если р—п переход расположить на столообразном выступе диаметром 0,1—0,2 мм, так называемой мезе. Для по лучения мезы небольшую часть p-слоя (если база све тодиода сделана из материала «-типа) покрывают вос ком и травят кристаллы в кислоте. Такие светодиоды получили название мезадиодов. В мезадиодах часть све та отражается от боковых граней мезы (рис. 10, 2,6) и дополнительно посылается на плоскую поверхность базы по направлению, близкому к нормали. Это увеличивает выход света в 2—3 раза. Такой способ увеличения внеш него квантового выхода относительно прост технологи чески, но не позволяет полностью избежать потерь на полное внутреннее отражение.
Внешний квантовый выход можно увеличить почти на порядок по сравнению с выходом плоского диода, если базу прибора выполнить в форме полушария, в цен
тральной |
части |
которого расположен р—п переход |
(рис. 10, |
2,а). |
Если отношение диаметра полушария |
к диаметру р—п перехода больше, чем показатель пре ломления вещества, то все лучи, упавшие на сферичес-
кую поверхность смогут выйти наружу. При этом, есте ственно, нужно позаботиться о том, чтобы материал базы поглощал как можно меньше света. Выход света можно увеличить еще примерно вдвое, если нижний кон такт сделать отражающим. Для этого следует, напри мер, на полированную поверхность полупроводника на пылить слой золота или серебра с присадкой акцептор ной примеси. Однако и в такой конструкции не весь свет будет выходить из полупроводника. Часть его будет от ражаться по закону Френеля от поверхности полупро-
Р и с . 10.2. С х е м а т и ч е с к и й в и д |
и н ж е к ц и о н н о г о и с т о ч н и к а с в е т а в ф о р |
м е п о л у с ф е р ы (а) и с p - о б л а с т ь ю , в ы п о л н е н н о й в в и д е м е з ы (б): |
/ — полупроводник л-типа; 2 — слой р-типа; 3 — контакт к слою |
р-типа; 4 — |
кольцевой электрод, осуществляющий контакт к базе светодиода; |
5 — р—п пе |
реход. (Стрелками показан ход лучей света.) |
|
водника, даже если падение света на нее будет близким к нормальному. Выход света можно увеличить еще почти в полтора раза, если нанести на поверхность полушария просветляющее покрытие из вещества с показателем
преломления л По к р = Y п. В результате отношение внеш
него квантового выхода к внутреннему будет близким к единице.
Поскольку внутренний квантовый выход у хороших
источников света близок к единице |
( у к в ~ 1 ) , . то может |
оказаться так, что к. п. д. светодиода |
г\ — $уКв%®/и>\\- |
При этом часть энергии будет отбираться из окружаю щей среды и вызывать ее охлаждение. Это не противо речит законам термодинамики, поскольку поток энтро пии, уносимый светом, существенно больше потока энтропии, вносимого в источник света электрическим током |[2]. Правда, в соответствии с этими законами, к. л. д. будет тем меньше, чем больше яркость источни ка света. Пока не удалось получить т)>1, однако на блюдалось излучение светодиода из арсенида галлия при
