Файл: Верещагин, И. К. Электролюминесценция кристаллов.pdf

ii. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ИНЖЕКЦИОННОЙ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ р - w-ПЕРЕХОДОВ

Вобщем случае характеристики свечения кристаллов

ср — n-переходами могут быть достаточно сложными и трудно поддающимися объяснению как потому, что реаль­ ные переходы часто сильно отличаются от идеальных, так и из-за сложности рекомбинационных процессов, про­

исходящих с участием уровней разных видов и в различ­ ных частях кристалла. В веществах с широкой запрещен­ ной зоной и глубокими уровнями в области рекомбинации дело осложняется необходимостью принимать во внимание изменение степени заполнения этих уровней при изме­ нении уровня инжекции. Далее рассматриваются поэтому только некоторые примеры качественного объяснения часто встречающихся зависимостей яркости от тока, на­ пряжения и температуры.

§ 3. Зависимость яркости от тока

Если бы встреча каждой дырки и электрона, введен­ ных в переход, заканчивалась рекомбинацией с излуче­ нием, то число г таких рекомбинаций в секунду было бы равно просто току I, выраженному в числах электронов за секунду. Но часть рекомбинаций не сопровождается излучением, и г = /тр = IQP, где тр — квантовый выход рекомбинации, меньший единицы. При достаточно протя­ женных слоях материала, располагающихся по обе сто­ роны от перехода, все рекомбинации происходят в пре­ делах кристалла, 0 = 1 и тр = Р. Значение Р при опре­ деленной температуре зависит от уровня инжекции (доля излучательных переходов в данной области кристалла изменяется с ростом тока) и зависимость г (/), а значит, и зависимость яркости от тока, в общем случае оказыва­ ются нелинейными.

31

Области кристалла с электронной и дырочной прово­ димостью содержат различные примеси и в различных ко­ личествах, поэтому концентрация центров тушения и роль внешнего температурного тушения центров свечения может быть в этих областях также различной. При уве­ личении напряжения на переходе инжектированные но­ сители проникают во все более далекие от перехода об­ ласти кристалла, где вероятность безызлучательных пере­ ходов может быть иной. Усредненная по всем частям кристалла, где идет рекомбинация, величина Р в этом случае также изменится. Таким образом, Р является функцией тока и температуры.

Начальный участок зависимости яркости В от тока часто бывает сверхлинейным, что может быть связано с ростом т]г при увеличении уровня инжекции. Природа центров тушения в большинстве случаев не ясна, так же как и характеристики рекомбинационного процесса, протекающего с их участием. Если допустить, что число излучательных рекомбинаций в данных условиях про­ порционально произведению концентрации свободных электронов п и дырок р, а число безызлучательных — только одной из концентраций, то изменение уровня инжекции (т. е. п и р) должно приводить к изменению со­ отношения между обоими типами рекомбинаций в пользу излучательных (переход к линейной зависимости при высоких токах). Подобное положение может осущест­ виться в материалах, у которых концентрация носителей на уровнях, ответственных за рекомбинацию одного из видов, значительно изменяется при увеличении тока.

Пусть, нанример, происходит преимущественная ин­ жекция электронов в материал с дырочной проводимостью, содержащий, однако, определенное число доноров, через которые происходит безызлучательная рекомбинация. До начала инжекции эти доноры, отдавшие свои электроны акцепторам, заряжены положительно, а свободные от электронов глубокие акцепторы, с которыми связана излучательная рекомбинация, нейтральны. Инжекти­ рованные электроны захватываются поэтому в первую очередь донорами. Второй этап рекомбинации без излу­ чения (захват дырки из валентной зоны) менее вероятен, так как донор теперь стал нейтральным. Вследствие этого при увеличении инжекции электронов число занятых ими уровней доноров будет возрастать и в конечном счете число рекомбинаций через доноры будет ограничиваться

32

общим числом доноров. Соответственно увеличится доля рекомбинаций через центры свечения, так как степень заполнения электронами уровней этих центров почти не изменится (после захвата электрона акцептор становится отрицательным и быстро захватывает дырку из валентной зоны).

Степень заполнения уровней, ответственных за излу­ чательные и безызлучательные рекомбинации, отразится на виде зависимости В (/) и в том случае, когда все ре­

чательных и безызлучательных рекомбинаций, то при малых токах, пока концентрация электронов на уровнях центров тушения мала, будут преобладать рекомбинации без излучения, а при больших токах, когда эти уровни будут заполнены электронами,— рекомбинации с излу­ чением. В этих условиях скорость рекомбинации через центры тушения гх = ухр, где р — концентрация инжек­ тированных дырок, а скорость рекомбинации через уров­

вдоль средней области и общее число рекомбинаций Л

секунду. При малых токах преобладают рекомбинации

носителей на различных уровнях при увеличении тока, приводит, в частности, к выводу, что участку линейной

протяженности наблюдаются для переходов в арсениде галлия (рис. 3.1). Для переходов в фосфиде галлия также

при высоких [2]. В других случаях сверхлинейный участок зависимости В (/) особенно сильно выражен и при посте­ пенном понижении я простирается в область значительных

токов.

Приведенное выше толкование сверхлинейной зави­ симости В (/) может быть отнесено только к образцам, у которых весь измеряемый ток проходит через идеаль­ ный р — «-переход (об этом можно судить по соответ­

жения, составит заметную долю общего тока. Эта доля будет быстро возрастать с увеличением напряжения и общего тока, если токи утечки зависят от напряжения слабее, чем диффузионные. Не исключено, что в некото­ рых случаях при низких напряжениях могут преобла­ дать туннельные токи, не связанные с излучением. На­ пример, у диодов, изготовленных на основе высоколегиро­ ванного арсенида галлия (концентрация примесей порядка 1018 см~3) при низких прямых напряжениях наблюдаются

За участком сверхлинейной зависимости В (I ) следует обычно линейный участок, который имеет большую или меньшую протяженность. Появление подобной зависи­

34

мости, вообще говоря, не означает, что все рекомбинации стали теперь излучательными. Линейная зависимость наблюдается и в условиях, когда понижение температуры продолжает увеличивать яркость при данном токе (см. рис. 3.1), т. е. подобная зависимость может соответство­ вать только постоянству доли излучательных рекомби­ наций Р.

Сублинейная зависимость В (/) при больших токах отражает падение квантового выхода свечения и может быть связана с расширением области рекомбинации и уменьшением среднего значения Р при данной темпера­ туре. В предельном случае тонких слоев р- и n-типа часть рекомбинаций переносится в электроды. Зависимость

Если рекомбинации в переходах типа р — i — « (или р — « — « +) не ограничиваются средней областью, то различные значения х могут быть получены в зависимости от того, в какой области преобладают излучательные и безызлучательные рекомбинации и по какому закону они

протекают. В частности, зависимость В ~ У I может по­ явиться в том случае, когда ток определяется рекомбина­ циями без излучения за пределами s-области, а излучение исходит из г-области и его интенсивность пропорцио­ нальна концентрации носителей одного знака в этой области (например, электронов, если центры свечения постоянно заполнены дырками). Это связано с тем, что концентрация электронов, инжектированных в среднюю область структуры р — i — «, пропорциональна квад­ ратному корню из концентрации электронов «, вошедших в /(-область, а скорость рекомбинации и ток I ~ п, так как концентрация равновесных дырок в ц-области по­ стоянна.

Таким образом, в общем случае зависимость В (I ) представляет собой 5-образную кривую, отдельные уча­ стки которой могут быть более или менее ясно выражены у различно приготовленных р — «-переходов.

Если образец светит в нескольких спектральных об­ ластях, то вид зависимости В (/), измеренной в отдельных полосах спектра излучения, может быть различным. Предположим, например, что в области кристалла, в ко­ торую в равной мере инжектируются электроны и дырки, одновременно происходит рекомбинация через примесные

2* 35

Центры, идущая по линейному закону (скорость реком­

рая соответствует собственному излучению. Если вновь полагать, что п = р, то при малых токах, когда преоб­ ладают рекомбинации через локальные уровни, I ~ р, примесное излучение пропорционально току, а собствен­ ное — Р. При больших токах, соответствующих преоб­ ладанию межзонных рекомбинаций и собственного излу­

В общем случае рекомбинации различного типа могут происходить одновременно в различных частях кристалла

рассмотрение таких общих случаев поэтому достаточно сложно, так как должны учитываться особенности и ус­ ловия рекомбинации в каждой из областей кристалла.

§ 4. Температурная зависимость свечения

Если при изменении температуры Т ток, идущий через образец, поддерживать постоянным, то изменения яркости свечения будут связаны только с изменениями квантового выхода цг. Эти изменения могут происходить по двум причинам: вследствие появления температурного

пературы для р — «-перехода в карбиде кремния. Спад свечения в области высоких Т вызван увеличением темпе­ ратурного тушения в определенной области кристалла, спад в области низких Т может быть связан с изменением области преобладающей рекомбинации [6]. Так как до­ норы в «-области и акцепторы в p-области имеют обычно различные энергии активации, то понижение температуры будет сказываться особенно сильно на концентрации носителей в той части кристалла, в которой глубина уровней доноров или акцепторов больше. В результате, если при средних температурах в равной мере происхо­ дила инжекция электронов и дырок, то при низких Т преобладающей может стать инжекция носителей только одного знака в материал, которому присущ малый выход. В случае образца, к которому относится рис. 4.1, при

36