Файл: Прикладная электролюминесценция..pdf

напряжении (в вольтах), численно почти вдвое меньшем, чем энергия излученных квантов (в электрон-вольтах). Так как внутренний квантовый выход источников света из арсенида галлия достигает 88% [3], то в случае, если почти все излучение будет выходить наружу, к. п. д. та­ кого источника окажется больше единицы.

При обычном режиме работы светодиода падение на­ пряжения на нем численно примерно соответствует энер­ гии излучаемых квантов, поэтому эффективность преоб­ разования электрической энергии в световую достаточно полно характеризуется величиной его внешнего кванто­ вого выхода. Кроме квантового выхода важнейшими па­ раметрами светодиодов являются время релаксации, яркость и мощность излучения, а также срок службы.

Светодиоды из арсенида галлия

На первом этапе разработки были распространены светодиоды,

диоды работают при напряжении около 1,3 В, причем падение на­ пряжения слабо зависит от силы тока. Зависимость интенсивности света от тока сверхлинейная (|> 1 ). Максимальный квантовый выход достигается при токе порядка 4 А. Поскольку средняя рассеиваемая мощность не должна превышать 0,5 Вт, светодиоды работают наи­ более эффективно в импульсном режиме. Сопротивление контактов и базы приборов не превышает 0,05 Ом, что позволяет пропускать через них импульсный ток до 100 А.

При работе в непрерывном режиме рекомендуется рабочий ток до 400 мА. При увеличении рабочего тока уменьшается срок службы

ратуры максимум в спектре излучения смещается в сторону мень­ ших энергий квантов со скоростью 4,5 • 10~4 эВ/°К. Со спектрами излучения хорошо согласуются по спектральной чувствительности кремниевые фотодиоды и кремниевые солнечные батареи, что по­ зволяет эффективно использовать эти источники в схемах авто­ матики.

Время срабатывания таких светодиодов определяется в основ­ ном временем зарядки емкости р-^п перехода. Его можно сократить, если уменьшить площадь перехода. Высокий квантовый выход был получен от светодиодов, база которых выполнена в форме полу­ шария. Исходный материал был легирован оловом и содержал 1017 электронов/см3. Как и в предыдущих случаях, р—п переход со­ здавали в результате диффузии цинка. Диаметр перехода составлял

* За время срока службы интенсивность излучения при задан­ ном токе спадает вдвое по сравнению с первоначальной.

382

0,2 мм, диаметр полусферы — 0,76 мм. На поверхность полусферы было нанесено противоотражающее покрытие. При комнатной тем­ пературе внешний квантовый выход был равен 7,3% при рабочем токе 150 мА. Время нарастания свечения составляло 1,6 • 10-9 с. Значительная часть света поглощалась в материале полушария, так как максимум в спектре излучения был близок к краю фундамен­ тального поглощения. При понижении температуры поглощение уменьшалось, в результате чего внешний квантовый выход увеличи­ вался и при 20 °К достигал 40,5%.

Наиболее высокий внешний квантовый выход при комнатной температуре имеют светодиоды, изготовленные методом жидкостной эпитаксии. Они содержат кремний в качестве легирующей примеси, выполнены в форме полушарий и имеют отражатели [4]. При токе 100 мА мощность излучения составляла 21 мВт, что соответствует внешнему квантовому выходу 16%. В том случае, если контакты к ним были изготовлены из золота и титана, срок службы свето­ диодов достигал 20000 ч.

Светодиоды из фосфида галлия

Из фосфида галлия в настоящее время изготавливают свето­ диоды с красным и зеленым цветом свечения. Больший к. п. д. име­ ют источники красного цвета. Однако у них он во много раз мень­ ше, чем у светодиодов из арсенида галлия. Светодиоды из фосфида галлия имеют весьма разнообразные характеристики.

фосфида галлия, растворенного в галлии, причем в раствор были добавлены ZnO и Са^Оз. Для создания р— п перехода в плоскость [111] вплавляли таблетку олова. Низкоомный контакт к базе полу­ чали в результате вплавлепия золота с цинком. Площадь р—п пе­ рехода составляла 0,3 мм2. При плотности тока 1 А/см2 внешний

При малых токах интенсивность света возрастала с увеличением тока по степенному закону с показателем степени £«5. Это явление называется «эффект порогового тока» [6]. Оно может иметь различ­ ную физическую природу. В том случае, если р—п переход зашунтирован проводящими каналами на поверхности или проводящими включениями в объеме полупроводника, эффект порогового тока про­ является потому, что ток утечки при увеличении напряжения нара­ стает значительно медленнее, чем ток через р—п переход (первый из них в простейшем случае зависит от напряжения линейно, а вто­ рой— экспоненциально). Поэтому при малых напряжениях, когда преобладает ток утечки, общий ток меняется мало, хотя ток через р—п переход и интенсивность излучения резко нарастают с уве­ личением приложенного напряжения. Если же токи утечек малы, о чем можно судить, например, по виду вольт-амперных характери­ стик, то эффект порогового тока может быть объяснен перезаряд­ кой центров безызлучательной рекомбинации при увеличении уровня возбуждения.

Пусть, например, основной поток безызлучательной рекомбина­ ции проходит через доноры, которые ионизованы тогда, когда лю-

. 3 8 3

минофор не возбужден. При возбуждении люминофора доноры с большей вероятностью будут захватывать электроны, чем дырки,

возбуждении большинство доноров окажется нейтральными, поэтому поток рекомбинации через них теперь уже будет ограничиваться рекомбинацией дырок, а вероятность такого процесса мала. Поэтому отношение потока излучательной рекомбинации к безызлучательной увеличится, т. е. увеличится квантовый выход. Именно так можно

тем, что при слабых возбуждениях Jivexp(eUfkT), что характерно для токов, протекающих через р— п переход. Любопытно, что при больших плотностях тока интенсивность света не зависит от тем­ пературы. Вероятно, это связано с тем, что внутренний квантовый выход таких светодиодов близок к единице. Если плотность тока превышала 1 0 3 А/см, зависимость интенсивности света от тока ста­ новилась сублинейной. Благодаря резкой зависимости яркости от тока описанные светодиоды в сочетании с полупроводниковыми триодами могут найти применение в электролюминесцентных устрой­ ствах типа матричных экранов.

Свойства светодиодов из фосфида галлия подробно исследованы в [7]. У некоторых из них внешний квантовый выход достигал 0,7%. Легирующими примесями были Zn, Cd, Au, Sn, О и Те. В спектрах

фракрасная (ft(оmax —1,3 эВ). Интенсивность света в различных по­ лосах на отдельных участках характеристик зависела от тока по

неэкспоненциальными. С увеличением плотности тока время нара­ стания свечения до 70% конечной величины уменьшалось от 100 до 10 нс. Вольт-амперные характеристики большинства диодов были объяснены на основе предположения о том, что рекомбинация про­ исходит в области объемного заряда. Часть диодов при малых и средних возбуждениях имела в широком диапазоне температур вольт-амперную характеристику вида 7~ехр(еС//1,5й7’), а интенсив­ ность света у них зависела от тока по степенному закону с 1 = 3/2. Отступления от этих зависимостей наблюдались лишь при сильных возбуждениях. Такой вид вольт-амперных характеристик объясняет­ ся накоплением носителей зарядов на глубоких энергетических уровнях.

Наиболее эффективные светодиоды из фосфида галлия тоже получаются методом жидкостной эпитаксии. В работе [8 ] описаны светодиоды красного цвета свечения с квантовым выходом 0,5— 1,3%. Исходный .материал был легирован теллуром. Концентрация

0,1—0,2 мВт.

В работе [9] описаны красные светодиоды с внешним кван­ товым выходом от 1 до 2%. Исходные пластины фосфида галлия были выращены из насыщенного расплава фосфида галлия в галлии, со­

384

держащем 0,07% цинка и 0,02% Ga20 :i. Эпитаксильпый слой нара­ щивали из насыщенного расплава, содержащего 0,01% теллура. Не­ посредственно после изготовления светодиоды имели квантовый вы­

чение 16 ч. Увеличение квантового выхода происходило благодаря уменьшению силы тока при фиксированном напряжении. Интенсив­ ность излучения при этом не менялась. Это означает, что при от­ жиге не изменялось количество центров излучательной рекомбина­ ции. Отжиг был одинаково эффективным при проведении процесса в воздухе, водороде или вакууме. Результат не зависел от того, каким металлом смачивали поверхность кристалла. Авторы пола­ гают, что увеличение эффективности светодиодов связано с про­ цессом улучшения стехиометрии.

Источники зеленого света имеют более низкую эффективность, чем источники красного света. Тем не менее по яркости они не уступают последним, так как чувствительность глаза к зеленым лу­ чам намного выше, чем к красным. Внешний квантовый выход зеле­

или селен в концентрации 5-1018— 1 • 101э см-3. Переходы были по­ лучены в процессе выращивания монокристаллов. Контакт к «-обла­ сти осуществляли с помощью сплава золота с оловом, а к р-об­ ласти — с помощью сплава золота с цинком. Максимум в спектре излучения соответствовал энергии квантов 2,2 эВ и смещался в пре­ делах ±0,05 эВ при замене одной примеси на другую. Интенсив­ ность света зависела от тока по степенному закону. При слабых токах показатель степени £=1,5, при средних £=1, при сильных £=0,5. Внешний квантовый выход источников, содержащих теллур или селен, не превышал 1 • Ю-4; внутренний квантовый выход при­ мерно в 8 раз больше; у источников, содержащих серу, квантовый выход несколько выше. Интенсивность света таких источников па­ дает с ростом температуры, причем энергия активации температур­ ного тушения £=0,043 эВ.

Яркость зеленых источников света из фосфида галлия может быть очень высокой. При токе в 200 мА мезадиод из фосфида гал­ лия имел яркость 104 кд/м2 (нт) [11]. При этом излучалось 1,5 мкВт с р—п перехода диаметром 0,18 мм. Максимум в спектре излучения

при ftto = 2,23 эВ (7.=5600 А).

Светодиодыиз карбида кремния

Изучению свойств р—п переходов в этом материале посвяще­ но значительное количество работ, часть которых объединена в сбор­ ники [12—14]. Инжекционные источники света также описаны в бро­ шюре Г. Ф. Холуянова [15]. Их изготавливают следующим образом.

циент поглощения таких кристаллов' на длине волны 0,63 мкм равен 10—20 см-1, удельное сопротивление составляет 0,1—0,3 Ом • см. Образцы шлифуют с одной из сторон порошком карбида бора. За­

тем их травят и помещают в печь для диффузионного отжига в па­ рах бора и алюминия. Травление осуществляют в смеси 4 частей KNO3 и 1 части КОН при температуре от 650 до 700 °С в течение 2—J5 мин. Процесс диффузии длится около 40 мин при температуре

1950 °С [16].

Низкоомные контакты к л-области получают одним из следую­ щих способов: вплавляют навеску золота с танталом (60%), напаи­ вают кристалл на пластинку вольфрама, покрытую никелем, приплавляют вольфрам или тантал через слой кремния, легированного фосфором, либо припаивают танталовую проволочку с помощью при­ поя, состоящего из 95% кремния, 4,5% тантала и 0,5% алюминия. Проволочка из тантала удобна тем, что она не становится хрупкой после прогрева. Контакт к p-слою получают, вплавляя кремний, со­

в биндере (раствор целлюлозы в ацетоне) мелкодисперсный порошок серебра. После нанесения пасты образцы прогревают на воздухе в течение нескольких минут при температуре в несколько сотен гра­ дусов Цельсия. Параметры изготовленных источников света ока­ зываются стабильными на воздухе без специальной защиты р—п перехода. В большинстве случаев токи утечки меньше рабочих токов. Если же токи утечки велики, то торцы кристаллов слегка подшли-

Наряду с желтой полосой у таких источников нередко проявляется полоса излучения с .максимумом при 1,35—1,4 эВ. Среди р—п пере­ ходов, изготовленных таким методом, встречаются образцы, у ко­ торых спектр электролюминесценции имеет максимум при 1,75 эВ. Такие образцы имеют красный цвет свечения. Было замечено, что присутствие никеля в исходном материале способствует проявлению этой полосы люминесценции. Для получения интенсивной желтой полосы люминесценции необходимо присутствие в карбиде кремния бора и азота. Интенсивность фото-и электролюминесценции падает

По современным представлениям в центры желтой люминесцен­ ции входят также кислород и бор. При больших* концентрациях азота в исходном материале интенсивность люминесценции умень­ шается вследствие концентрациогчсго тушения, а также из-за по­ глощения света в материале. Рабочие плотности тока источников из карбида кремния порядка 1 А/см2. При таких плотностях тока яркость источников порядка 20—100 кд/м2 (нт) [17], что соответ­

из карбида кремния модификации 4Н имеют зеленый цвет (макси­

т