ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА Советский патент 1973 года по МПК H05B33/20 

1

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к конструкциям полупроводниковых источников света.

Известна конструкция полупроводникового источника света на основе р-п структуры арсенида галлия, р-область которой легирована кремнием и является основной областью электролюминесценции, а п-область легирована теллуром до концентрации носителей порядка и служит эмиттером.

Такая конс1рукция полупроводникового источника света обеспечивает высокий внешний квантовый выход электролюминесценции, благодаря тому, что центрами излучательной рекомбинации являются атомы кремния и генерируемое излучение не поглощается в толще кристалла арсенида галлия. Для достижения максимальной эффективности и быстродействия излучательной рекомбинации необходима оптимальная концентрация указанных центров при минимальной их заселенности электронами.

Недостаток известной конструкции полупроводникового источника света состоит в том, что в случае, когда область излучательной рекомбинации легирована кремнием, невозможно независимо управлять концентрацией рекомбинационных центров и степенью их заселенности электронами. Это приводит к тому, что в структурах с наибольшей эффективностью электролюминесценции ее инерционность также оказывается наибольшей (10- сек). Кроме того, при изготовлении р- и «-области из одного и того же полупроводникового материала (из GaAs) уровень инжекции в р-область всегда оказывается заметно меньше единицы. Это также приводит к уменьшению квантового выхода электролюминесценции.

Цель изобретения состоит в разработке конструкции полупроводникового источника света, обладающего одновременно высоким квантовым выходом электролюминесценции и минимальной инерционностью.

В предлагаемой конструкции источника света поставленная цель достигается тем, что заселенностью атомов кремния в р-области управляют путем введения в область рекомбинации дополнительной примеси элементов II группы, например цинка или кадмия, которые создают в арсениде галлия мелкие акцепторные уровни. При введении мелких акцепторных уровней концентрация дырок в области рекомбинации увеличивается, уровень Ферми смещается к вершине валентной зоны и, концентрация свободных (незаселенных электронами) атомов увеличивается вне зависимости от их общей концентрации. Однако увеличение концентрации дырок в р-области может привести к уменьшению уровня инжекщяи в р-область и в результате этого к снижению квантового выхода электролюминесценции.

Чтобы поднять уровень инжекции, п-область предлагаемой конструкции выполняется из более широкозонного полупроводника, чем арсенид галлия, а именно твердого раствора AlxGai-xAs или GaPxAci x, где ,4. Это позволяет сделать уровень инжекции в р-область близким к единице.

Предлагаемая конструкция полупроводникового источника света позволяет снизить излучательное время жизни и таким образом увеличить внешний квантовый выход излучательной рекомбинации и уменьшить инерционность источника света.

На фиг. 1 представлен полупроводниковый источник света на основе арсенида галлия,

где р-область легирована кремнием и цинком, а п-область изготовлена из твердого раствора AlxGai-xAs; на фиг. 2 представлена энергетическая зонная диаграмма предлагаемой конструкции светодиода,

где - ширина запретной зоны р-GaAs, Eg,2 - ширина запретной зоны AlxGai xAs, р - уровень Ферми, у - верх валентной зоны, ЕС - дно зоны проводимости, Esi - акцепторный уровень кремния, zn - акцепторный уровень цинка; на фиг. 3 - осциллограммы импульса тока и излучения в предлагаемой конструкции светодиода.

где буквой а обозначен импульс тока с амплитудой 50 ма, буквой б - импульс света; на фиг. 4 - спектр излучения полупроводникового источника света предлагаемой конструкции при комнатной температуре.

Пример.

Полупроводниковый источник света выполнен на,.,основе р-п структуры арсенида галлия. Слой арсенида галлия р-типа получен эпитаксией из жидкой фазы. Содержание атомов кремния в жидкой фазе составляет 0,5-г-1 вес. %, содержание атомов цинка - 5-10- -fЧ-5-10-3 вес. %. Суммарная концентрация дырок в р-слое - порядка .

Слой арсенида галлия п-типа также получен эпитаксией из жидкой фазы и легирован теллуром до концентрации носителей .

При комнатной температуре спектры излучения изготовленных приборов при прямом токе содержат одну полосу с энергией максимума 1,35-1,36 эб, что несколько больше, чем в источниках света на основе арсенида галлия, легированного только кремнием (см. фиг. 4).

Время нарастания и спада импульса излучения при питании источника прямоугольными импульсами прямого тока составляет 20-40 нсек (см. фиг. 2). Внешний квантовый выход излучения составляет около 2%, что превышает известные результаты по источникам света с соответствующим быстродействием.

П р и м е р 2.

С целью увеличения эффективной инжекции электронов в р-область полупроводниковый

источник выполнен на основе гетеро р-П структуры р-GaAs-nAlxGai xAs (см. фиг. 2). Слой арсенида галлия р-типа изготовлен также, как в примере 1.

Слой AlxGai-xAs п-типа изготовлен эпитаксией из жидкой фазы и легирован теллуром до концентрации носителей cж величина X составляет 0,2-7-0,3. Излучение выводится через п-область р-п структуры.

Спектры излучения и инерционность источников света такие же, что н для источников, описанных в примере 1.

Внешний квантовый выход источников составляет около 2,5%. Увеличение внешнего

квантового выхода по сравнению с источником, описанным в примере 1, связано с увеличением инжекции в р-область и отчасти с уменьшением поглощения в п-слое р-п структуры.

В исследованных источниках света не наблюдается других полос излучения, что свидетельствует о том, что р-слой арсенида галлия, легированный кремнием и цинком, является основной областью люминесценции.

Необходимо отметить, что увеличение концентрации носителей в общем случае не всегда должно приводить к увеличению квантового выхода излучательной рекомбинации. Квантовый выход возрастает, если безизлучательная рекомбинация осуществляется через более глубокий уровень, чем излучательная рекомбинация, причем безизлучательный процесс ограничен вероятностью захвата неосновного носителя на уровень. Такая ситуация, как следует из приведенных исследований, реализуется в арсениде галлия, легированном кремнием и цинком.

Концентрация вводимого цинка не должна превышать , так как при большей концентрации в спектре излучения появляется полоса, связанная с рекомбинацией через цинк. При использовании в качестве широкозонного эмиттера твердых растворов полупроводников AlxGai-xAs, либо GaAsi xPx нет необходимости в применении растворов с ,4. В этом случае твердые растворы изменяют зонную структуру с прямой на непрямую, что приводит к увеличению энергии активации доноров и снижению подвижности электронов почти на порядок.

Предлагаемая конструкция позволяет реализовать полупроводниковый источник света с высоким внешним квантовым выходом 2-ь2,5% и инерционностью менее 3-10- сек.

Предмет изобретения

1. Электролюминесцентный источник света, например, на основе гомо- или гетерор-п структуры, в котором р-область выполнена на основе арсенида галлия с примесью кремния, отличающийся тем, что, с целью повышения квантового выхода электролюминесценции и снижения инерционности, в

р-область введены элементы II группы оериодической системы элементов, например цинк или кадмий, а п-область выполнена из более широкозонного полупроводника, чем арсенид -галлия, например из твердого раствора AlxGai xAs или GaAsi-xPx, где О ,4.

2. Электролюминесцентный источник света

по п. 1, отличающийся тем, что р-область выполнена из материала, обеспечивающего концентрацию дырок (1ч-5) , а в качестве га -области выбран твердый раствор AlxGai-xAs, легированный теллуром до обеспечения концентрации электронов +5-108сж-з.

n-Al:(Sa,As

GaAs + Si -i-Zn

40

200 300 t, нсек

Фиг 5

1,45

1,35l/tn

Энергия , эо Фиг Л