Берг А., Дин П.
Светодиоды
Перевод с английского под редакцией
канд. физ.-мат. наук А. Э. Юновича
Редакция литературы по новой технике
Издательство "Мир"
Москва
1979
Книга написана известными специалистами по полупроводниковой электронике и посвящена новым полупроводниковым приборам — источникам излучения в видимой спектральной области. В ней изложены физические принципы действия, основы конструирования и технологии изготовления светодиодов, проанализированы результаты исследований материалов, наиболее подходящих для создания светодиодов, рассмотрены основные области их применения.
Представляет интерес для специалистов по оптике твердого тела и физике полупроводников, научных работников смежных областей физики и техники, конструкторов электронной аппаратуры, а также для студентов соотвегствующих специальностей.
© Oxford University Press 1976
© Перевод на русский, «Мир», 1979
Содержание
Предисловие редактора перевода
Предисловие авторов к русскому изданию
От авторов
Введение
Глава 1. ФОТОМЕТРИЯ
1.1. Элементы фотометрии
1.1.1. Энергетические величины
1.1.2. Фотометрические величины
1.1.3. Характеристики светодиодов
1.2. Некоторые характеристики зрения
1.2.1. Цвет
1.2.2. Размеры индикаторов
1.2.3. Яркость
1.2.4. Контраст
1.2.5. Экспозиция
1.3. Световые и спектральные характеристики светодиодов
Глава 2. МЕХАНИЗМЫ ИНЖЕКЦИИ
2.0. Введение
2.1. Идеальный гомогенный р-n-переход
2.1.1. Основные понятия физики полупроводников 57
2.1.2. Диффузионные токи в р-n-переходе
2.1.3. Туннельная инжекция в р-n-переходе
2.2. Реальные характеристики диодов
2.2.1. Лавинный пробой
2.2.2. Туннельный пробой
2.2.3. Рекомбинация в области пространственного заряда
2.3. Емкость перехода
2.4. Коэффициент инжекции
Глава 3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СВЕТА
3.0. Введение
3.1. Теория излучательной рекомбинации
3.1.1. Межзонные электронные переходы
3.1.2. Расчет скорости рекомбинации
3.1.3. Захват носителей на излучательные центры
3.2. Эффективная излучательная рекомбинация в непрямозонных полупроводниках. Фосфид галлия
3.2.1. Излучательная рекомбинация на донорио-акцепторных парах
3.2.2. Излучательная рекомбинация свободных дырок на нейтральных донорах
3.2.3. Рекомбинация экситонов, связанных на нейтральных донорах
3.2.4. Оже-рекомбинация экситонов, связанных на нейтральных донорах
3.2.5. Оже-рекомбинация с участием свободных носителей
3.2.6. Экситоны, связанные на изоэлектрониых ловушках
3.2.7. Эффективная электролюминесценции фосфида галлия в зеленой области спектра
3.2.8. Эффективная электролюминесценция фосфида галлия в красной области спектра. Спектральные свойства
3.2.9. Эффективная электролюминесценция фосфида галлия в красной области спектра. Кинетика рекомбинации
3.2.10. Свойства светодиодов из фосфида галлия, изготовленных диффузией цинка
3.2.11. Свойства фосфида галлия, выращенного методом Чохральского
3.2.12. Достижения и перспективы в области светодиодов из GaP
3.2.13. Заключение
3.3. Эффективная излучательная рекомбинация в прямозонных полупроводниках. Аресенид галлия
3.3.1. Хвосты плотности состояний, обусловленные примесями
3.3.2. Рекомбинация на далеких донорно-акцепторных парах и хвосты зон
3.3.3. Модель заполнения зон при электролюминесценции
3.3.4. Туннельная излучательная рекомбинация
3.3.5. Механизмы люминесценции в слаболегированиом материале
3.3.6. Излучательные переходы в GaAs с участием многих частиц
3.3.7. Большие концентрации примесей и правила отбора для переходов
3.3.8. Самопоглощение люминесценции
3.3.9. Квантовый выход люминесценции для прямых переходов и эффект Оже
3.4. Эффективная излучательная рекомбинация в прямозонных полупроводниках — твердых растворах
3.4.1. Зависимость ширины запрещенной зоны от состава твердого раствора
3.4.2. Зависимость эффективности люминесценции и функции видности от состава твердого раствора
3.4.3. Влияние, легирования азотом на электролюминесценцию твердых растворов соединений AinBv
3.4.4. Роль вакансий решетки в соединениях AmBv и их твердых растворах
3.4.5. Несоответствие постоянных решетки и квантовой выход люминесценции
3.4.6. Применение светодиодов с гетероструктурой в качестве инжекционных лазеров
3.5. Другие типы электролюминесценции приборов
3.5.1. Светодиоды на основе карбида кремния
3.5.2. Нитрид галлия и другие менее распространенные полупроводники
3.5.3. Полупроводниковые соединения A"BVI
3.5.4. Некогерентные светодиоды видимого диапазона на основе гетероструктур
3.5.5. Электролюминесцентные ячейки
3.6. Деградация электролюминесценции
3.6.1. Общее описание проблемы
3.6.2. Захват и рекомбинация на центрах гашения люминесценции
3.6.3. Эмпирическое изучение деградации в GaP и GaAs
3.6.4. Заключение
Глава 4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВИДИМЫЙ СВЕТ
4.0. Введение
4.1. Преобразование ИК-излучения в видимый свет и вопросы кинетики
4.2. Источники инфракрасного возбуждения и оптическое согласование
4.3. Сравнение и перспективы развития светодиодов с люминофорным покрытием
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕТОДИОДОВ
5.0. Введение
5.1. Технология роста кристаллов
5.1.1. Синтез GaP
5.1.2. Синтез и рост кристаллов из расплава
5.1.3. Метод роста кристаллов по Чохральскому под флюсом
5.2. Изготовление р— «-переходов методом диффузии
5.2.1. Диффузионные переходы для светодиодов
5.2.2. Механизм диффузии
5.2.3. Зависимость глубины залегания р-n-перехода от продолжительности диффузии
5.2.4. Определение коэффициента диффузии из профиля фронта диффузии
5.2.5. Зависимость диффузии от температуры
5.2.6. Состав подложек
5.2.7. Однорнодность диффузионных р-n-переходов (источник диффундирующего материала и качество подложек)
5.2.8. Характеристики диффузионных светодиодов
5.3. Получение соединений типа AmBv химическим осаждением из газовой фазы
5.3.1. Газовая эпитаксия GaAsi
5.3.2. Газовая эпитаксия GaP
5.4. Жидкостная эпитаксия
5.4.1. Эпитаксия из тонких слоев жидкой фазы
5.4.2. Селективная жидкостная эпитаксия
5.4.3. р-n-переходы из GaAs, легированные кремнием
5.4.4. Выращивание слоев Gai-*AlxAs методом жидкостной эпитаксии
5.5. Омические контакты
5.5.1. Реальные омические контакты
5.5.2. Получение омических контактов
5.5.3. Контакты на золотой основе
5.5.4. Металлургия контактов и механические напряжения на границе раздела контакта с полупроводником
5.5.5. Поглощение света омическими контактами
Глава 6. КОНСТРУИРОВАНИЕ СВЕТОДИОДОВ
6.0. Введение
6.1. Конструирование красных светодиодов из GaP
6.1.1. Изготовление полупроводниковых пластин
6.1.2. Изготовление диодов
6.1.3. Зависимость внутреннего квантового выхода от плотности тока
6.1.4. Зависимость внутреннего квантового выхода от температуры
6.1.5. Коэффициент вывода света
6.1.6. Результаты расчетов оптимальных размеров диода
6.2. Проектирование зеленых светодиодов из GaP
6.2.1. Описание типичного зеленого светодиода из GaP
6.2.2. Механизмы потерь в зеленых светодиодах из GaP
6.2.3. Общие принципы конструирования светодиодов с высоким коэффициентом вывода света
6.3. Конструирование светодиодов из прямозонных полупроводников
6.3.1. Глубина перехода в однородных тройных твердых растворах
6.3.2. Коэффициент вывода света с поверхности полупроводника
6.3.3. Вывод света из диодов при неоднородном составе (ширина запрещенной зоны изменяется с расстоянием)
6.3.4. Вывод света из объема полупроводника
6.4. Цвет светодиодов
6.4.1. Цвет светодиодов из GaAsi-xP
6.4.2. Цвет светодиодов из GaP
6.5. Конструирование монолитных индикаторов
6.5.1. Вывод света через одну плоскую поверхность
6.5.2. Поверхностная яркость различных светодиодов
6.5.3. Монолитные конструкции приборов
6.5.4. Пленарные структуры
6.5.5. Мезаструктуры 606
6.5.6. Конструкции светодиодов полусферической формы
Глава 7. ПРИМЕНЕНИЯ
7.0. Введение
7.1. Электролюминесцентные лампы
7.1.1. Индикаторы состояния
7.1.2. Многоцветные индикаторы состояния. Различимость цветов
7.1.3. Основные схемы питания светодиодов
7.2. Индикаторы на светодиодах
7.2.1. Схемы соединения светодиодных индикаторов
7.2.2. Функции различных элементов электролюминесцентных дисплеев
7.2.3. Схемы построения электролюминесценции дисплеев
7.2.4. Технология изготовления электролюминесцентных индикаторов и дисплеев на их основе
7.3. Оптроны
7.3.1. Элементы оптронов
7.3.2. Быстродействующий фотоприемиик (изолированный диод-транзистор)
7.3.3. Сравнение оптронов и механических реле
7.3.4. Твердотельное мощное реле переменного тока
Дополнительная литература
Предметный указатель
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Обзорная работа А. Берга и П. Дина «Светодиоды», вышедшая в 1973 г. в русском переводе, разошлась очень быстро и стала библиографической редкостью. Так бывает с научно-техническими обзорами, написанными в нужный момент, когда многочисленные и вначале противоречивые исследования начинают складываться в систему, когда становится ясным, что данное научное направление находит широкую область технических применений. Авторы не ограничились выпуском указанного обзора. Существенно расширив и дополнив его, они написали новую книгу. Ее актуальность можно охарактеризовать числом ссылок: за 4 года оно возросло более чем втрое и составляет около полутора тысяч. Это первая систематическая монография о светодиодах.
Уже в 1923 г. в первом сообщении об открытии явления электролюминесценции в полупроводниках О. В. Лосев писал о возможности «применения светящихся детекторов как безынертных источников света». В период бурного развития физики полупроводников и полупроводниковых приборов в 50-х годах, когда внимание исследователей было приковано к германию и кремнию, излучательная рекомбинация в полупроводниках казалась маловероятной вообще; тем более не поднимался вопрос об использовании инжекционной люминесценции в полупроводниковой электронике.
Положение дел существенно изменилось в начале 60-х годов, когда изучение полупроводниковых соединений типа AmBv привело к обнаружению интенсивного излучения в р-n-переходах из арсенида галлия. Создание полупроводниковых лазеров дало мощный толчок к развитию разных направлений исследований излучательной рекомбинации в полупроводниках. Появились перспективы эффективного преобразования электрической энергии в световую в различных областях спектра и широкого технического применения этого явления. Одно из важнейших технических применений представляют светодиоды, в которых инжекция неравновесных носителей через р — п-переход (или другой выпрямляющий контакт) и их последующая рекомбинация приводят к излучению в видимой или иной области спектра.
Сейчас, спустя почти пятнадцать лет, можно выделить те направления исследований и разработок, которые оказались необходимыми, чтобы научно обосновать и создать технологию светодиодов, обеспечить их массовый выпуск и широкое применение. Прежде всего следует отметить широкий класс полупроводниковых материалов, для которых были исследованы оптические свойства и излучательная рекомбинация. Систематическое исследование излучательной рекомбинации проводилось в элементарных полупроводниках, бинарных соединениях различных групп, их тройных и четверных твердых растворах. Ширина запрещенной зоны в этих материалах изменяется в пределах от нескольких сотен электрон-вольт до нескольких электрон-вольт; соответственно спектральная область люминесценции лежит между длинноволновой инфракрасной и коротковолновой ультрафиолетовой.
Наиболее важными материалами для светодиодов оказались арсенид и фосфид галлия и тройные твердые растворы на их основе, подробно анализируемые в книге. Авторы книги сознательно ограничили круг рассматриваемых вопросов материалами для видимой области спектра, наиболее важной для светодиодов.
Сейчас уже хорошо систематизированы различные механизмы рекомбинации: собственная межзонная и экситонная для прямых и непрямых переходов; рекомбинация свободных носителей на примесных состояниях и экситонов, связанных на примесях или примесных комплексах; межпримесная рекомбинация на донорно-акцепторных парах; рекомбинация в сильно легированном полупроводнике в случае слабой и сильной компенсации; рекомбинация с взаимодействием большого числа носителей, в частности излучение электронно-дырочных капель. В книге подробно рассмотрены все механизмы, существенные для светодиодов. Читатели, для которых наиболее важны физические принципы излучательных процессов в твердых телах, найдут в книге их достаточно систематическое изложение.
Затем следует выделить направление, связанное с исследованием принципиальной неоднородности в полупроводниковых структурах для светодиодов — гомогенных и гетерогенных р — n-переходах. Для инжекционной электролюминесценции было чрезвычайно важным развитие физики р-n-переходов, выяснение существенной роли рекомбинации в области пространственного заряда и туннельных процессов в светодиодах и выявление возможностей гетеропереходов. Эти вопросы также освещены в книге Берга и Дина. Однако последнее время были получены новые результаты, связанные с пониманием роли переизлучения в гетеропереходах и варизонных структурах; были достигнуты рекордно большие значения внешнего квантового выхода излучения [до 40% при комнатной температуре для структур на основе Gai-^AlxAs; Алферов Ж- И. и др., Гетеро-светодиоды с внешним квантовым выходом це =40% (300 К).
Письма в ЖТФ, 1977, т. 3, вып. 14, с. 657]. По-видимому, эти результаты могут быть важны для дальнейших разработок.
Успехи в создании светодиодов были обеспечены принципиально новыми шагами в технологии выращивания совершенных кристаллов соединений типа AU1BV, развитием методов жидкостной и газовой эпитаксии и выбором условий для создания идеальных гетероструктур. Авторы книги дают ясное представление об основах технологии выращивания структур для светодиодов. Конечно, в книге такого рода не обращается внимания на тонкости технологических процессов, но цитируемая литература столь обширна, что позволяет заинтересованному читателю получить всю информацию, опубликованную до 1975 г.
Если о свойствах материалов, механизмах излучательной рекомбинации, особенностях структур с р-n-переходами и о гетеропереходах публиковались обзоры различного рода, то о конструкциях светодиодов, обеспечивающих оптимизацию их свойств и максимальный вывод излучения, обзорной литературы до сих пор практически не было. В книге Берга и Дина дан подробный анализ таких конструкций, разработанных в последние годы.
Проблеме восприятия излучения светодиодов в связи с особенностями человеческого зрения вначале уделялось мало внимания. Но для применения светодиодов в индикаторах необходимо было решить ряд светотехнических задач. Результаты такого рода исследований отражены в данной книге.
Для массовой продукции и применений светодиодов особо важны их надежность и долговечность. Пока прошло сравнительно немного времени, чтобы можно было ожидать полного решения этих вопросов. Поэтому они излагаются в книге менее последовательно и лишь в той мере, в какой это было возможно на основании результатов отдельных исследований в момент написания книги.
Светодиоды являются одним из основных элементов новой области электроники — оптоэлектроники. Особенно широкое применение светодиоды находят в буквенно-цифровых индикаторах и оптронах. По-видимому, передача, обработка, хранение и вывод информации с помощью оптических методов будут развиваться в ближайшие годы нарастающими темпами, и в связи с этим будут все шире применяться самые различные типы светодиодов. В книге отражен лишь первый этап этих исследований.
Сказанное выше дает представление о том круге разнородных, но связанных между собой проблем, которые систематизировали и изложили авторы книги.
Следует отметить, что большой вклад в развитие исследований и разработок внесли советские ученые. Авторы книги отмечают оригинальность работ О. В. Лосева, неоднократно цитируют советских авторов. Однако список опубликованных работ на русском языке можно было бы существенно расширить; сделанные редактором перевода дополнения лишь частично восполняют этот пробел. (Список дополнительной литературы помещен в конце книги.)
В авторском предисловии указаны некоторые важнейшие нерешенные проблемы, в частности проблема создания эффективных светодиодов для коротковолновой части спектра — голубых, синих, фиолетовых. Пока показана принципиальная возможность создания светодиодов для этих спектральных областей на основе нитрида галлия, карбида кремния и широкозонных соединений типа A"BV1. Однако эти возможности сейчас не могут быть реализованы в промышленности из-за сложностей технологии, недостаточной эффективности и экономических соображений (их осуществление потребовало бы неоправданных затрат). Между тем, если эта проблема будет решена, область применения светодиодов существенно расширится, в частности, станет возможным воспроизведение всей гаммы цветовых оттенков с помощью светодиодов. Укажем еще на одну заманчивую перспективу — создание телевизионного экрана с помощью плоской панели из светодиодов. Для решения этой задачи необходимо понижение рабочих токов светодиодов приблизительно на два порядка при условии, что световой поток практически останется неизменным; до этого решения пока еще далеко.
Ценность книги не только в обобщении существующих научных принципов, основ технологии и возможностей применения светодиодов, но и в том, что она послужит отправной точкой для дальнейших исследований и разработок. Она долгое время будет необходимой и для студентов старших курсов, и для инженеров-конструкторов и технологов, и для научных работников.
При переводе английского словообразования light-emitting diodes мы использовали слово «светодиоды», которое, по нашему мнению, лучше соответствует русской терминологии, чем применяемое иногда в литературе словообразование «светоиз-лучающие диоды». Термин «светодиоды» для диодных преобразователей электрической энергии в световую можно сравнить с термином «фотодиоды» для диодов, регистрирующих излучение и преобразующих световую энергию в электрическую.
В переводе книги участвовали: Л. А. Ангелова (гл. 1, 2, разд. 3.2), Э. Ю. Баринова (гл. 4), А. И. Лебедев (разд. 3.4), Ю. В. Озеров (разд. 3.5), А. Б. Ормонт (разд. 3.3, 3.6, гл. 5), В. М. Стучебников (разд. 3.0, 3.1, гл. 6 и 7).
Л. Э. Юнович
Скачать книгу Светодиоды. Москва, Издательство "Мир", 1979
|
