DIODY ELEKTROLUMINESCENCYJNE (Light Emitting Diodes) – LED Znane zasadniczo od początku XX w. (1904, prostownik ostrzowy SiC ). Duży postęp spowodowało dopiero wprowadzenie w oparciu o materiały AIII BV złącz półprzewodnikowych świecących. Zjawisko elektroluminescencji w złączu W zależności od rodzaju półprzewodnika energia elektryczna zamieniana jest na światło w obszarze VIS lub NIR. Nośniki o koncentracjach większych niż równowagowa rekombinują emitując spontanicznie fotony o energiach porównywalnych z przerwą energetyczną Eg. Spolaryzowanie złącza p – n w kierunku przewodzenia powoduje wstrzykiwanie nośników mniejszościowych po obu stronach złącza i te nadmiarowe nośniki mniejszościowe dyfundują od złącza rekombinując z nośnikami większościowymi.

Wstrzykiwanie nośników mniejszościowych i ich spontaniczna Diody elektroluminescencyjne Wstrzykiwanie nośników mniejszościowych i ich spontaniczna rekombinacja w złączu p-n

Koncentracja nośników nadmiarowych po stronie p : Diody elektroluminescyjne Koncentracja nośników nadmiarowych po stronie p : Współczynnik dyfuzji Po stronie n : Droga dyfuzji Czas życia W idealnej diodzie wszystkie nośniki nadmiarowe rekombinują promieniście. W praktyce wydajność jest mniejsza od 100%. Ilość aktów rekombinacji jest proporcjonalna do prądu. Przy polaryzacji zaporowej brak wstrzykiwania i nie ma emisji światła. Przy rekombinacji nośników w stanach w pobliżu EC oraz EV emitowane są kwanty o energiach: Przykład: Dla GaAs Eg = 1.43 eV λg = 0.86 μm (w praktyce ta długość fali może być nieznacznie mniejsza na skutek dodatkowej energii nośników rzędu kT/2)

Rekombinacja promienista Diody elektroluminescencyjne Rekombinacja promienista 1. Przejścia międzypasmowe (rekombinacja bimolekularna) Przejścia proste Przejścia skośne Energia fononu (~0.01eV) Szybkość spontanicznej rekombinacji międzypasmowej: Ogólnie: hυ = Eg ± Ep + anihilacja fononu - kreacja fononu Rsp= B n·p , n = n0 + Δn p = p0 + Δp W przejściu biorą udział 3 cząstki, stąd mniejsze prawdo- podobieństwo przejścia niż dla przejść prostych ( 2 cząstki)

~ 106 Rekombinacja międzypasmowa w półprzewodnikach Diody elektroluminescencyjne Półprzewodnik Rodzaj przejść Współczynnik B (m3s-1) Si skośne 1.79 x 10-21 Ge s 5.25 x 10-20 GaP 5.37 x 10-20 GaAs proste 7.21 x 10-16 InP p 1.26 x 10-15 InAs 8.50 x 10-17 InSb 4.58 x 1017 B półprzew. p ~ 106 B półprzew. s Rekombinacja międzypasmowa w półprzewodnikach skośnych nie ma znaczenia dla diod LED. Półprzewodniki takie można wykorzystać wytwarzając dodatkowe stany domieszkowe.

2. Przejścia z udziałem poziomów domieszkowych Diody elektroluminescyjne 2. Przejścia z udziałem poziomów domieszkowych Cząstka zlokalizowana (małe Δx) wykazuje dużą nieoznaczoność pędu: Δx · Δp ≥ ħ zasada nieoznaczoności Heisenberga To oznacza duży rozrzut wartości k (k = p/ ħ), co ułatwia przejścia skośne między stanami zlokalizowanymi i ekstremami pasm (bez udziału fononów). Zwiększa to wydajność luminescencji w półprzewodnikach skośnych. Przykład : wprowadzenie głębokich domieszek O, Zn, do GaP i GaAsP. Fotony powstałe w przejściach z udziałem domieszek nie podlegają reabsorpcji międzypasmowej.

Materiały stosowane do produkcji diod LED Diody elektroluminescencyjne Materiały stosowane do produkcji diod LED Istotne są wartości Eg, typ pasm, możliwości silnego domieszkowania p oraz n w celu wytworzenia złącz. Parametry diod LED emitujących w obszarze widzialnym STRUKTURA MATERIAŁ TYP PASM DŁ. FALI W MAKS.PIKU (nm) SKUTECZOŚĆ PRĄDOWA (lm/W) Homozłącze GaAsP p 650 (czerw.) 0.15   GaP:Zn,O s 700 (czerw.) 0.4 GaAsP:N 630 (czerw.) 1 585 (żółte ) GaP:N 565 (żółto-zielone) 2.6 GaP 555 (ziel.) 0.6 SiC 480 (nieb.) 0.04 Heterozłącze AlGaAs 2 Heterozł. podw. 4 AlGaP 620 (pomar.) 20 AlInGaP 595 (burszt.) 570 (żółt.-ziel.) 6 GaN 450 (nieb.) Heterozł.podw. z przezrocz.podł. 8

Najważniejsze materiały stosowane w komercyjnych diodach LED Diody elektroluminescencyjne Najważniejsze materiały stosowane w komercyjnych diodach LED 1 Ga As (przerwa prosta, Eg = 1.43 eV, λg= 860 nm) - dyfuzja Zn do GaAs typu n daje p i mamy złącze p/n - domieszkowanie z użyciem Si (daje typ p lub n) zal. od war. wzrostu przejścia pasmo przew.- defekt akcept, brak reabsorpcji, wyd. konwersji ~10% przejścia pasmo – pasmo, reabsorpcja

2 3 4 GaP (przerwa skośna, Eg = 2.26 eV, λg= 549 nm) Diody elektroluminescencyjne 2 GaP (przerwa skośna, Eg = 2.26 eV, λg= 549 nm) Istnieje konieczność domieszkowania: - domieszkowanie n daje donoropodobne pułapki (światło zielone 550 nm) - jednoczesne domieszkowanie Zn oraz O (podstawianie Ga oraz P ) Pułapka izoelektronowa i związany ekscyton - rekombinacja (640 nm) 3 GaAs1-xPx (Eg zmienne z x , dla x < 0.45 przerwa prosta) Zmiana x oraz domieszkowanie N daje światło: czerwone ( GaAs0.6 P0.4 ) pomarańczowe ( GaAs0.35 P0.65:N) żółte ( GaAs0.15P0.85: N) 4 AlxGa1-xAs (Eg zmienne z x, dla x < 0.45 przerwa prosta) Wysokowydajne diody w obszarze czerwieni i podczerwieni. Heterozłącze n- Al0.7 Ga0.3 As / p – Al0.4Ga0.6As elektrony wstrzykiwane z n do p rekombinują radiacyjnie poprzez stany akceptorowe (λ = 650nm) Światło wydostaje się poprzez wierzchnią warstwę n bez absorpcji

5 6 7 8 InxGa1-xAs (przerwa maleje z x) oraz InxGa1-xAsyP1-y Diody elektroluminescencyjne InxGa1-xAs (przerwa maleje z x) oraz InxGa1-xAsyP1-y 5 Diody jasno świecące, często w strukturze podwójnego heterozłącza. Materiały stosuje się w obszarze NIR (1.1÷1.6 μm ), użytecznym z punktu widzenia techniki światłowodowej. Azotki GaN oraz AlN 6 Duże przerwy energetyczne (obszar niebieski, nadfiolet ) Szczególnie atrakcyjny GaN (przerwa prosta), gdzie uporano się z problemem podłoży (warstwy buforowe ) i domieszkowaniem p. Po opanowaniu produkcji AlGaInP pojawiły się diody superjasne (HB LED). Wprowadzenie studni kwantowych InGaN/GaN przesunęło widmo do 405 nm. Związki AIIBVI : ZnSe i materiały pokrewne ZnTeSe, ZnCdSe 7 Diody z obszaru zielonego i niebieskiego. Wada materiałów : miękkie, mało stabilne w podwyższonej temperaturze. 8 SiC (skośna przerwa) Możliwość domieszkowania n oraz p. Różne domieszki ( Al, Sc, B, Be ) dają światło od niebieskiego do czerwieni. Bardzo mała wydajność świecenia. Stosowany jako podłoże do GaN.

Diody elektroluminescencyjne Konstrukcje diod LED Złącza wytwarza się z reguły metodą dyfuzji lub epitaksją. Projektuje się tak, aby rekombinacja zachodziła w pobliżu powierzchni (mała reabsorpcja). Można to zapewnić przez silne wstrzykiwanie (złącze p/ n+ z warstwą p bliższą powierzchni). Dioda LED (czerwona) Układ z asymetrycznym złączem

Wydajność wstrzykiwania ηin Diody elektroluminescencyjne Wydajność wstrzykiwania ηin (ułamek całkowitego prądu diody przewodzonego w wyniku dyfuzji elektronów wstrzykniętych do p ): jn= q Dn grad n De,h – wsp. dyfuzji Le,p – droga dyfuzji nppp= pnnn= n2i Z prawa działania mas (złącze niesymetryczne)

Wydajność rekombinacji ηr Diody elektroluminescencyjne Wydajność rekombinacji ηr Straty: przejścia nieradiacyjne (Auger, stany powierzchniowe, pułapki) ηr~ 0.5 dla homozłącz W materiałach z prostą przerwą ηr ~ 0.6 ÷ 0.8 dla podwójnych heterozłącz ηr = 0.3 dla GaP(Zn, O) Ze skośną przerwą: zal. od rodzaju głębokich poziomów ηr = 0.03 dla GaP (N)

Wydajność ekstrakcji światła ηe Diody elektroluminescencyjne Wydajność ekstrakcji światła ηe Część światła powstała w procesie rekombinacji zostaje stracona w wyniku absorpcji: α α W przypadku przejść prostych międzypasmowych silna reabsorpcja Przejścia skośne z udziałem poziomów domieszkowych złącze świecące blisko powierzchni zastosowanie heterozłącza Rozwiązanie :

Innym czynnikiem zmniejszającym ηe jest całkowite wewnętrzne odbicie Diody elektroluminescencyjne Innym czynnikiem zmniejszającym ηe jest całkowite wewnętrzne odbicie Światło padające na powierzchnię graniczną pod kątem większym od θgr doznaje całkowitego wewnętrznego odbicia n2 < n1 Światło jest emitowane izotropowo, ale wyjdzie tylko część zawarta w stożku 2θgr Dla n2 = 1 , n1 = 3.6 (GaAs) Transmisja uwarunkowana tym zjawiskiem wynosi:

Aby zwiększyć Tr stosuje się dwa podejścia: Diody elektroluminescencyjne Aby zwiększyć Tr stosuje się dwa podejścia: Powierzchnia półprzewodnika (p) jest formowana na kształt hemisfery (szczególnie w diodach mocy); metoda kosztowna. Większość promieni pada na powierzchnię graniczną pod kątem mniejszym od θgr i wychodzi z półprzewodnika

Obudowuje się złącze przezroczystym ośrodkiem o dużym współczynniku Diody elektroluminescencyjne Obudowuje się złącze przezroczystym ośrodkiem o dużym współczynniku załamania (tworzywo organiczne); metoda najbardziej popularna. Dla n = 1.6 uzyskuje się 5-krotne zwiększenie transmisji w porównaniu z planarną powierzchnią półprzewodnik/powietrze Zastosowanie: - diody sygnalizacyjne - wyświetlacze - kalkulatory, itp. Kontakty elektryczne

różne rozkłady natężenia promieniowania. Diody elektroluminescencyjne W zależności od tego jaki kształt ma powierzchnia obudowy, uzyskuje się różne rozkłady natężenia promieniowania. Soczewka sferyczna Soczewka paraboliczna θ1/2 to kąt, przy którym natężenie światła spada do połowy (wartość katalogowa)

Zewnętrzna wydajność energetyczna (wydajność konwersji) Diody elektroluminescencyjne Zewnętrzna wydajność energetyczna (wydajność konwersji) moc światła wyjściowego moc elektryczna dla typowych diod: ηo = 1÷5% W powszechnych zastosowaniach diod należy również uwzględnić krzywą czułości oka ludzkiego. W tym przypadku wprowadza się tzw. świetlną wydajność konwersji, normalizującą spektrum wyjściowe do odpowiedzi oka ludzkiego: P0(λ) - spektrum emisyjne diody V(λ) - krzywa czułości oka

Dioda emitująca w obszarze zielonym wydaje się bardziej jasna niż Diody elektroluminescencyjne W ten sposób: η0 = ηin· ηr · ηe · ηL Przykład: Dioda emitująca w obszarze zielonym wydaje się bardziej jasna niż dioda emitująca tę energię w obszarze czerwonym czy niebieskim. LED z dług. fali λ = 515 nm wydaje się 30-krotnie jaśniejsza niż LED z dług. λ = 630 nm, mająca tę samą wydajność kwantową.

Czasy odpowiedzi diod LED Diody elektroluminescencyjne Czasy odpowiedzi diod LED W pewnych zastosowaniach (komunikacja optyczna) czasy odpowiedzi są istotne. Ograniczenia czasów odpowiedzi wynikają z : - pojemności złącza Cj ( dla złącza skokowego) - pojemności dyfuzyjnej (zjawisko związane z magazynowaniem nośników w obrębie drogi dyfuzji). Ze wzrostem częstotliwości modulacji nośniki wstrzykiwane nie wszystkie zdążą zrekombinować. Pasmo przenoszenia zależy w efekcie od konstrukcji diody (powierzchniowe, krawędziowe), stopnia domieszkowania i reaktancji pasożytniczych. W diodach LED uzyskuje się pasmo rzędu 1GHz.

Układy sterujące pracą LED Diody elektroluminescencyjne Układy sterujące pracą LED Wysokość napięcia przyłożonego w kierunku przewodzenia zależy od rodzaju półprzewodnika (w przybliżeniu równe napięciu wbudowanemu) GaAs (900nm) 1.3 ÷ 1.5 V GaAsP (655nm) 1.6 ÷ 1.8 V GaP (565nm) 2.2 ÷ 2.4 V GaN (490nm) 3 ÷ 5 V IF = 10 mA - prąd przewodzenia Obwód DC z rezystancją ograniczającą Ud , Id – napięcie i prąd diody

Obwód AC Obwód z modulacją Dioda D zabezpiecza LED Diody elektroluminescencyjne Obwód AC Dioda D zabezpiecza LED przed przebiciem przy napięciu wstecznym Obwód z modulacją Tranzystor tak się polaryzuje aby pracować w obszarze liniowym

Praktyczne wykonania diod LED Diody elektroluminescencyjne Praktyczne wykonania diod LED Struktury biheterozłączowe Zalety struktury: Elektrony wstrzykiwane z n+ do warstwy GaAs (100÷200nm) przebywają w tej warstwie nie dyfundując dalej i ulegają rekombinacji. Gęstość defektów na międzypowierzchni GaAs/n+AlGaAs jest bardzo mała w po- równaniu z powierzchnią swobodną i rekombinacja nieradiacyjna jest zredukowana. Warstwa n+ AlGaAs pełni rolę warstwy okiennej, w której fotony nie są pochłaniane (większe Eg). Wydajność wstrzykiwania jest większa Podobne struktury otrzymuje się stosując: InGaAsP/InP, InGaAs/InGaAsP/InP

Dioda LED emitująca w obszarze niebieskim (S. Nakamura 1995) Diody elektroluminescencyjne Dioda LED emitująca w obszarze niebieskim (S. Nakamura 1995) Superjasna dioda niebieska Kluczową rolę odgrywa studnia kwantowa InGaN znajdująca się między materiałem typu p oraz n. Warstwa n-InGaN stosowana w celu zmniejszenia naprężeń w studni kwantowej. Użycie fosforu YAG daje diody białe (1mW, 3.5%). 2nm η=11% P = 6mW Do wykonania diod nie jest konieczne wysokiej jakości podłoże (można np. stos. technologię ELOG). Prawdopodobne jest, że fluktuacje In w studni kwantowej dają dyski kwantowe będące centrami rekombinacji.

Diody LED emitujące światło białe Diody elektroluminescencyjne Diody LED emitujące światło białe Istnieją trzy rozwiązania konstrukcyjne W skład danej struktury wchodzi kilka diod o różnych barwach świecenia (np. czerwona, zielona, niebieska), które po wymieszaniu za pomocą układu optycznego dają światło białe. Materiał fluorescencyjny dający niezbędne składniki barwne pobudzany jest do świecenia przez diodę LED emitującą nadfiolet (pochłaniany całkowicie przez luminofor). Cząsteczki luminoforu rozprowadzane są w żywicy epoksydowej pokrywającej chip diody. Odcień światła białego nie zależy od zmian emisji LED, problemy z hermetyzacją – wpływ UV. LED emituje światło niebieskie pobudzające luminofor, który generuje światło o barwie żółtawej i w wyniku mieszania uzyskuje się światło białe. Jest to metoda najbardziej popularna. Przykładem jest dioda na bazie GaN (430 nm) czy superjasna InGaN, które pobudzają luminofor YAG (granat itrowo-aluminiowy).