WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 12 УДК 621.315.592 Электролюминесценция варизонных структур с антизапорным и омическим контактами © Б.С. Соколовский¶, В.И. Иванов-Омский, Г.А. Ильчук+ Львовский национальный университет им. Ивана Франко, 79602 Львов, Украина Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия + Национальный университет „Львивська политехника“, 79013 Львов, Украина (Получена 11 апреля 2005 г. Принята к печати 13 апреля 2005 г.) Теоретически исследованы особенности электролюминесценции однородно легированных варизонных структур с антизапорным и омическим контактами. Для случая постоянного градиента ширины запрещенной зоны и сильного поглощения света получены и проанализированы аналитические зависимости для спектральной и интегральной интенсивностей электролюминесценции. Показано, что наличие антизапорного контакта на широкозонной грани варизонной структуры приводит к повышению эффективности отрицательной и особенно положительной электролюминесценции по сравнению со случаем варизонной структуры с двумя омическими контактами. Спектр рекомбинационного излучения варизонной структуры с антизапорным контактом на узкозонной грани характеризуется в большинстве случаев знакопеременной зависимостью, на которой в области сильных токов преобладает широкая полоса отрицательной электролюминесценции.

1. Введение 2. Модель варизонной структуры и исходные соотношения Варизонные полупроводники благодаря ряду уникальных свойств, в первую очередь наличию квазиэлектриче- Рассмотрим пластину толщиной d из варизонного ских полей и координатной зависимости коэффициента полупроводника, для конкретности n-типа проводимопоглощения света, зарекомендовали себя эффективными сти, в котором ширина запрещенной зоны Eg линейно материалами для создания различных полупроводнико- уменьшается с координатой x:

вых приборов, в частности, светодиодов [1,2]. ЗначительEg(x) =Eg(0) -|Eg|x. (1) ное пространственное перераспределение неосновных Предполагается, что варизонный полупроводник односителей заряда, происходящее в однородно легиронородно легирован донорной примесью с достаточно ванных варизонных полупроводниках в условиях протевысокой концентрацией ND, при которой равновесные кания электрического тока [3], предопределяет возможконцентрации электронов n0 и дырок p0 определяются ность возбуждения в них рекомбинационного излучения, выражениями [5]:

интенсивность которого существенно отличается от равновесного. В этой связи теоретическое прогнозироваn2(0) |Eg| i n0 ND, p0(x) = exp x, (2) ние электролюминесцентных свойств различных типов ND kT варизонных структур представляет не только научный где ni(x) — собственная концентрация носителей заряда интерес, но имеет также практическое значение для в варизонном полупроводнике.

разработки новых полупроводниковых источников свеНа гранях варизонной пластины x = 0 и x = d сфортового излучения, особенно инфракрасного диапазона мированы токоподводящие контакты, один из которых спектра. В работе [4] показано, что спектром электролюявляется антизапорным, а другой — омическим, поддерминесценции (ЭЛ) варизонных структур с омическими живающим равновесное значение концентрации носитеконтактами можно управлять в широких пределах пулей. В качестве антизапорного контакта может служить, тем изменения величины электрического тока, причем например, n-n+-переход или изотипный гетеропереход в зависимости от направления последнего возникает с более широкозонным слоем. Будем предполагать, что положительная или отрицательная ЭЛ. В данной рабоантизапорный контакт полностью блокирует прохождете теоретически доказывается, что интенсивность ЭЛ, ние неосновных носителей заряда. Предполагается такособенно положительной, можно существенно увелиже, что омический и антизапорный контакты являются чить, если один из омических контактов варизонной оптически прозрачными для рекомбинационного излуструктуры заменить на антизапорный (блокирующий) чения, что можно достичь выбором соответствующих контакт.

материалов для контактов или приданием последним ¶ E-mail: sokol@franko.lviv.ua сетчатой конфигурации.

1 1410 Б.С. Соколовский, В.И. Иванов-Омский, Г.А. Ильчук Прохождение электрического тока через рассматри- заряда, можно вынести из-под знака интеграла в (3) ваемую варизонную структуру приводит к отклонению и в результате для интенсивности ЭЛ в спектральном концентрации дырок p(x) от равновесного значения диапазоне Eg(d)/h Eg(0)/h получим следующее p0(x), в то время как концентрация основных носителей выражение:

(электронов) остается практически невозмущенной.1 Рекомбинация неравновесных носителей сопровождается ND[p(x0) - p0(x0)] I = I0, (5) излучением, дополнительным к равновесному, т. е. лю- n2(x0) i минесценцией. Наибольший интерес представляет рассмотрение рекомбинационного излучения, исходящего где от широкозонной грани (x = 0) варизонной пластины, так как в этом случае за счет „эффекта широкозонI0 = 8n2c-2h3 exp(-h/kT) ного окна“ имеется возможность выхода излучения из внутренних областей полупроводника. Для случая, когда — спектральная интенсивность равновесного излучения коэффициент поглощения света является ступенчатой варизонного полупроводника в области междузонных функцией энергии фотонов h:

переходов ( Eg(d)/h). Характерной особенностью (5) является слабое изменение с частотой отношения = 0[h - Eg(x)], I0/n2(x0) при Eg(d)/h Eg(0)/h. Заметим, что в i отличие от случая слабого поглощения света [8] в выcпектральную интенсивность ЭЛ I, регистрируемую ражение для I явно не входит градиент ширины запресо стороны широкозонной грани, можно представить, щенной зоны. Интенсивность ЭЛ в области >Eg(0)/h используя [7], в следующем виде:

определяется формулой (5), в которой следует положить x0 = 0.

d np - ni Необходимое для расчета интенсивности ЭЛ коордиI = hR0 exp -0(x - x0) dx, (3) ni натное распределение концентрации неравновесных дыxрок, которое устанавливается в варизонном полупроводнике при прохождении тока плотностью j, определяется где — коэффициент, который зависит от условий уравнением непрерывности [3]:

выхода излучения через грань x = 0 и примыкающий к ней контакт, в частности, от угла полного внутреннего отражения;

d2p dp n2(0) i - (i + ) - p = - exp(), (6) d2 d ND R0 = 8n2c-202 exp(-h/kT) где введены безразмерные координата = x/Lp, плот— скорость равновесной излучательной рекомбинации ность тока i = jx Lp/kTµnND и градиент ширины заносителей при h kT; n — коэффициент преломления прещенной зоны = Lp|Eg|/kT. Предполагается, что варизонного полупроводника; c — скорость света в диффузионная длина дырок Lp, подвижности электровакууме. Координата x0 в (3) определяется из уравнения нов µn и дырок µp не зависят от координаты. УравEg(x0) =h, т. е.

нение (6) справедливо при выполнении неравенства µnND µp p0(d), т. е. когда вкладом неосновных носитеEg(0) - h x0 =. (4) лей в полный ток можно пренебречь.

|Eg| Уравнение (6) следует дополнить двумя граничными условиями, которые имеют вид В дальнейшем ограничимся случаем сильного поглощения света, предполагая, что выполняются неравенства: dp(0) n2(d) i - (i + )p(0) =0, p(d) = exp(d) (7) d ND 0 |Eg|/kT, d-1, L-1, L-1, + где L+, L- — характерные длины изменения p(x), (d = d/Lp) для варизонной структуры с антизапорным соответственно, в направлении дрейфового движения контактом на широкозонной грани ( = 0) и носителей и против него. Тогда функции, описывающие координатные зависимости концентрации носителей n2(0) dp(d) i p(0) =, - (i + )p(d) =0 (8) Заметим, что протекание тока через варизонные структуры с соб- ND d ственным типом проводимости не сопровождается заметным пространственным перераспределением носителей заряда. Последнее возможно для варизонной структуры, в которой антизапорный под действием силы Лоренца в условиях реализации магнитоконцентрационного эффекта [6]. контакт находится в узкозонной грани ( = d).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Электролюминесценция варизонных структур с антизапорным и омическим контактами 3. Результаты расчета Если при слабых токах (|i|, d-1, d) для каждой частоты спектральная интенсивность ЭЛ I пропори их обсуждение циональна току, то с ростом последнего проявляется нелинейный характер токовой зависимости I с раз3.1. Случай варизонной структуры с антизапорным контактом личным влиянием тока на разные участки спектра ЭЛ.

В области сильных токов (|i|, d-1, d) при i < 0, на широкозонной грани когда практически во всем объеме полупроводника, за Решая уравнение (6) с граничными условиями (7) и исключением примыкающего к антизапорному контакту используя (5), получаем следующее варажение:

тонкого слоя толщиной порядка |i|-1, устанавливается постоянная концентрация дырок p0(d), спектральная i I = интенсивность положительной ЭЛ в линейном по /i, i + d/i приближении описывается выражениями:

exp(--0){sh[(0 - d)] + (0) exp(-d)} - I0, I = i2 1 - exp(-|i|0 + d)I0 (11) (d) |i| (9) при 0 0 < 2|i|-1 ln |i|, где (z ) =+ sh (z ) + ch (z ), 0 - d I = 1 + exp[(d - 0)] - 1 I0 (12) |i| ± i ( + i)2 + ± =, =, 2 при 2|i|-1 ln |i| <0 d. Здесь I0 — интенсивность которое через переменную 0 = x0/Lp и соотношение равновесного излучения.

(4) определяет спектральную зависимость интенсивноТаким образом, при больших токах спектр положисти ЭЛ в области тельной ЭЛ состоит из протяженного длинноволнового участка, форма которого не зависит от тока, а определяEg(d)/h Eg(0)/h (0 0 d).

ется лишь градиентом ширины запрещенной зоны, и узкой коротковолновой полосы, которая сужается с ростом Спектр ЭЛ в области частот >Eg(0)/h можно тока при одновременном увеличении интенсивности на рассчитать по формуле ее краю (h = Eg(0)). Заметим, что в случае варизонной структуры с двумя омическими контактами [4] I = (h)3 h - Eg(0) I = Imax exp -, (10) при h = Eg(0). Положение максимума спектра положиEg (0) kT тельной ЭЛ рассматриваемой варизонной структуры не зависит от тока и находится при h = Eg(0).

где Imax — полученное из (9) значение интенсивности Спектр отрицательной ЭЛ, возникающей при i > 0, в ЭЛ при = Eg(0)/h.

области сильных токов (i, d-1, d) содержит широКак следует из (9) и (10), характер ЭЛ определякий участок в области ется направлением электрического тока. Когда ток i течет в направлении увеличения ширины запрещенной 0 0 < d - i-1 ln(i) зоны (i < 0), вследствие инжекции дырок из более узкозонных областей структуры происходит обогащение с интенсивностью, близкой к предельному значевсего объема варизонного полупроводника неравновеснию -I0:

ными носителями, излучательная рекомбинация которых 1 1 формирует спектр положительной ЭЛ. При противоI = - 1 - + 1 - - exp(-0) I0, (13) i i i i положном направлении электрического тока (i > 0), когда дырки двигаются в сторону уменьшения ширины и узкой длинноволновой полосы (d-i-1 ln(i) <0 d), запрещенной зоны (т. е. увеличения их равновесной в которой интенсивность экспоненциальной стремится к концентрации), реализуется эффект распределенной экснулю:

тракции неосновных носителей заряда [3], в результате I = - 1 - exp[i(0 - d)] I0. (14) чего практически весь объем полупроводника обедняется дырками. Это приводит к уменьшению интенсивности Минимум на спектральной зависимости интенсивнорекомбинационного излучения по сравнению с ее равно- сти отрицательной ЭЛ смещается с ростом тока в весным значением, т. е. отрицательной люминесценции, длинноволновую область и в области сильных токов и которая была впервые обнаружена в антимониде индия, находится при энергии фотонов помещенном в скрещенные электрическое и магнитное kT поля [9], и затем достаточно детально исследована в ряhmin = Eg(d) + ln(i). (15) i де полупроводников как при магнитоконцентрационном эффекте, так и при эффектах эксклюзии и экстракции Для расчета спектральных зависимостей интенсив(см., например, обзоры [10,11]). ности ЭЛ по формулам (9) и (10) необходимо знать 1 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1412 Б.С. Соколовский, В.И. Иванов-Омский, Г.А. Ильчук структуры примем равной 20 мкм, т. е. d = 2. Для указанных параметров соотношения между размерными и безразмерными значениями плотностей тока и градиентов ширины таковы: jx = 40i A/cм2, dEg/dx = 25 эВ/см.

На рис. 1 приведены зависимости интенсивности положительной и отрицательной ЭЛ от энергии фотонов в области промежуточных токов (|i| ). Для сравнения на рис. 1 показаны также спектральные зависимости ЭЛ варизонных структур с омическими контактами. Как видно из рис. 1, спектры ЭЛ обоих типов варизонных структур существенно отличаются между собой. Вопервых, в варизонных структурах с антизапорным контактом на широкозонной грани спектры положительной и отрицательной ЭЛ простираются в область энергий, превышающих максимальное значение ширины запрещенной зоны Eg(0). Во-вторых, наличие антизапорного контакта приводит к росту интенсивности положительной ЭЛ во всем спектральном диапазоне, особенно в его коротковолновой части, причем с ростом тока возрастает не только интенсивность ЭЛ, но и асимметрия спектральной кривой. По сравнению со случаем положительной ЭЛ влияние антизапорного контакта на интенсивность отрицательной ЭЛ не столь сильное изза того, что максимальное по модулю ее значение не Рис. 1. Спектральные зависимости интенсивности электроможет превышать интенсивности равновесного рекомлюминесценции варизонной структуры с антизапорным конбинационного излучения. Положение минимума спектра тактом на широкозонной грани (сплошные линии) и с двумя отрицательной ЭЛ, как видно из вставки на рис. 1, омическими контактами (штриховые линии) при Eg(0) =16kT, заметно смещается в коротковолновую область с ростом d = 2, = 1 и значениях тока i: 1, 1 — -1; 2, 2 — -2;

тока и градиента ширины запрещенной зоны.

3, 3 —1; 4, 4 —2. На вставке —зависимости положения Интегральные интенсивности I положительной и отминимума спектра отрицательной электролюминесценции от рицательной ЭЛ рассматриваемой варизонной структубезразмерной плотности тока при значениях : 1 —1, 2 —2.

ры находятся интегрированием (9) и (10) в соответствующем диапазоне частот и в области сильных токов (|i|, d-1, d) описываются соответственно выражеинтенсивность равновесного излучения I0, которая в ниями случае сильного поглощения света определяется миEg (0) нимальной шириной запрещенной зоны в конкретной I = варизонной структуре. Заметим, что форма спектральEg (d) ных зависимостей интенсивности ЭЛ является практи4 Eg (0) - Eg (d) чески одинаковой для различных полупроводников лишь 3kT 3kT i2 1 - - + + I0, при незначительных относительных перепадах шири|i| Eg(d) Eg(0) 4kT Eg (0) ны запрещенной зоны [Eg(0) - Eg(d)]/Eg(d), a именно, (16) при выполнении неравенства kTd Eg(d), которое, 1 3kT I = - 1 - - 1 - I0, (17) очевидно, легче удовлетворить в случае широкозонных i i Eg(d) полупроводников.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.