Конструкции светодиодов

Основу любого светодиода составляет светоизлучающий кристалл с определенной комбинацией эпитаксиальных слоев, чаще всего выраженных на подложках из GaAs или GaP. Кристалл имеет, как правило, форму квадрата со стороной 0.35 – 0.5 мм. Для повышения плотности тока через p-n-переход уменьшают размеры активной области до нескольких десятков микрометров путем формирования мезаструктуры или изолирующих аморфных слоев, полученных протонной бомбардировкой.

Омические контакты к кристаллам изготавливают традиционными методами тонкопленочной технологии – вакуумным напылением, электрохимическим или химическим осаждением. Как правило, применяют многокомпонентные сплавы типа Au – Zn, Au – Be, Au – Ni, Aa – Ge – Ni и др. После операции нанесения контактов проводится их вжигание при температурах 500 – 6000С.

Для соединения верхних контактов с выводами применяют термокомпрессионную или лазерную сварку, а нижних - припои или токопроводящие клеи. Верхний омический контакт светодиода должен, с одной стороны, иметь минимальную поверхность для уменьшения потерь света, а с другой стороны, содержать площадку, достаточную для сварки, и иметь форму, обеспечивающую равномерное растекание тока по площади p-n-перехода (рис.2.1).

Нижний контакт может быть сплошным при непрозрачной подложке и в виде сетки или набора точек малой площади для кристаллов с прозрачной подложкой. В последнем случае контактный сплав должен обладать хорошими отражающими свойствами.

На рис.2.2. показаны конструкции некоторых наиболее распространенных типов светодиодов и их диаграммы направленности. Как видно, существуют три типа светодиодов: в металлостеклянном (АЛ 102), пластмассовом (АЛ 307) корпусе и бескорпусные (АЛ 301). Первый тип светодиодов характеризуется высокой надежностью и стабильностью параметров, а второй – технологичностью и низкой стоимостью, большой стойкостью к действию ударных и вибрационных нагрузок, возможностью управления диаграммой направленности излучения в направлении как ее расширения, так и сужения.

Рис.2.2

Как правило, кристалл помещают в специальное углубление с отражающими свет стенками, что позволяет увеличить силу света в осевом направлении при одновременном улучшении восприятия излучения в результате расширения светящейся площадки и повышения контрастности.

Пластмассовый корпус светодиодов изготавливают в виде полусферической полимерной линзы, которая перераспределяет световой поток и формирует диаграмму направленности светодиода. Чаще всего такие линзы делают на основе эпоксидных компаундов с добавкой красителей или светорассеивающих наполнителей.

Светодиоды видимого диапазона характеризуются следующими основными параметрами: силой света IV, длиной волны излучения в максимуме спектральной полосы λmax (цветом свечения), полушириной спектральной линии излучения ∆λ, диаграммой направленности (или углом излучения φ), прямым напряжением Uпр при заданном прямом токе Iпр, световой отдачей по мощности или по току, внешним квантовым выходом ηвнш или КПД , . Для большинства светодиодов ηвнш примерно равен КПД.

Для ИК светодиодов вместо силы света IV используют силу излучения  ( , где к - видность излучения). В некоторых случаях важное значение имеют такие параметры и характеристики светодиодов, как быстродействие и зависимость силы света (излучения) от прямого тока.

Табл.2.1

Материалы, используемые для светодиодов, и их основные характеристики приведены в табл.2.1. Анализируя приведенные данные, нетрудно заметить, что отсутствуют материалы, позволяющие получать свечение в голубой и синей областях спектра. В настоящее время осуществляется интенсивный поиск таких материалов. Наиболее исследованными из них являются бинарные соединения типа АIIIВV с шириной запрещенной зоны Еg > 3,0 эВ: GaN, SiC, A1N и др.

Большие перспективы имеют тройные и четверные полупроводниковые соединения, ширина запрещенной зоны которых непрерывно меняется в зависимости от их состава. Используя четырехкомпонентные соединения, можно управлять шириной запрещенной зоны Е и постоянной кристаллической решетки а в довольно широких пределах. Например, для прямозонных соединений InGaAsP Еg меняется от 0,36 до 2,2 эВ (λ = 0,55-3,4 мкм при T = 300 К). В качестве подложек можно использовать GaAs или GaAsP.

ИК светодиоды изготавливают на основе GaAs, GaAlAs и GalnAsP. Наиболее эффективными из всех излучающих структур являются двойные гетероструктуры в системе GaAs/GaAlAs, для которых может быть получен ηвн, близкий к 100%, а ηвнш - более 45% в диапазоне длин волн 0,82-0,9 мкм. Как известно, качество гетероструктур определяется согласованием параметров решеток подложки и эпитаксиальных слоев, т.е. возможностью создания изорешеточной структуры. Для гетеропереходов GaAs/Ga1-хAlхAs параметры решеток практически совпадают в широком диапазоне составов тройного соединения. Поэтому возможно получение гетеропереходов с минимальной плотностью дислокаций на границе раздела активный слой - эмиттер.