Определение параметров гетероструктур, используемых в оптоэлектронике

УДК 548.25:621.383 
 
К89 

Кузнецов Г.Д., Сушков В.П., Ованесов А.Е. Определение параметров 
гетероструктур, используемых в оптоэлектронике: Лабор. практикум – М.: 
МИСиС, 2001. – 40 с. 

Практикум состоит из пяти лабораторных работ, выполнение 
которых позволит получить достаточно полное представление о 
свойствах гетероструктур, используемых в оптоэлектронике. 

В каждом описании к лабораторной работе дается краткое 
рассмотрение теории и технологии изготовления гетероструктур, что 
закрепляет знания студентов, полученные в лекционных курсах. 

Настоящий лабораторный практикум предназначен для студентов, обучающихся по направлению 550700 для изучения курсов 
«Основы высоких технологий», «Физико-химические основы многослойных гетероструктур», «Конструирование компонентов и элементов микроэлектроники». 

© Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический университет) 
(МИСиС), 2002 

КУЗНЕЦОВ Геннадий Дмитриевич 
СУШКОВ Валерий Петрович 
ОВАНЕСОВ Александр Евгеньевич 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ 
ГЕТЕРОСТРУКТУР, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ  
В ОПТОЭЛЕТРОНИКЕ 

Лабораторный практикум 
для студентов направления 550700 и специальности 6541 

Рецензент проф. Е.А. Ладыгин 

Редактор С.В. Фролова, Л.Е. Арютова 

Компьютерная верстка Л.Е. Арютовой 

ЛР № 020777 от 13.05.98 

Подписано в печать 18.02.02 
Бумага офсетная 

Формат 60 × 90 1/16 
Печать офсетная 
Уч.-изд. л. 2,46 

Рег.  № 515 
Тираж 150 экз. 
Заказ 1075 

Московский государственный институт стали и сплавов, 
119991, Москва, Ленинский пр-т, 4 

Издательство «Учеба» МИСиС 
117419, Москва, ул. Орджоникидзе, 8/9 
Тел.: 954-73-94, 954-19-22 

Отпечатано в типографии Издательства «Учеба» МИСиС, 
117419, Москва, ул. Орджоникидзе, 8/9 
ЛР №01151 от 11.07.01 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
Лабораторная работа 1. Исследование мощностной характеристики и коэффициента полезного действия излучающего диода....................................................................................5 

Лабораторная работа 2. Измерение световых и вольт-амперных 
характеристик трехцветных светоизлучающих диодов..............12 

Лабораторная работа 3. Измерение спектральных характеристик 
светодиодов в видимой области спектра......................................22 

Лабораторная работа 4. Измерение чувствительности фотодиодов..27 
Лабораторная работа 5. Определение оптических характеристик 
многослойного интерференционного светофильтра ...................35 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

Развитие современной микроэлектроники и оптоэлектроники 
немыслимо без широкого использования гетероструктур полупроводниковых материалов. Гетероструктуры в системах Ge – Si, 
AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, InGaN и т.п. нашли широкое применение в 
светодиодах, лазерах, фотоприемниках, биполярных и полевых транзисторах. 

Настоящий лабораторный практикум позволит студентам получить необходимые экспериментальные навыки для дальнейшей 
успешной работы в исследованиях и разработках светоизлучающих 
диодов на основе гетероструктур, которые являются современными 
полупроводниковыми приборами, предназначенными для преобразования электрической энергии в видимое излучение. Преимущество 
светодиодов перед лампами накаливания состоит в их малых размерах, более высокой эффективности преобразования энергии и большей надежности и долговечности (время непрерывной работы современных светодиодов составляет более 100 000 часов). 

4 

Лабораторная работа 1 

ИССЛЕДОВАНИЕ МОЩНОСТНОЙ 
ХАРАКТЕРИСТИКИ И КОЭФФИЦИЕНТА 
ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ 
ИЗЛУЧАЮЩЕГО ДИОДА 

1.1. Цель работы 

Изучение энергетических параметров излучающих диодов в 
видимой области спектра. 

1.2. Теоретическое введение 

1.2.1. Энергетические параметры излучающих диодов 

Полупроводниковые излучающие диоды – оптоэлектронные 
приборы, в которых электрическая энергия преобразуется в оптическую. В основе этого преобразования лежит явление электролюминесценции (ЭЛ), т. е. возникновение неравновесных носителей тока, 
инжектированных через p – n-переход, за счет излучательной рекомбинации. 

Для оценки эффективности преобразования энергии в излучающем диоде используется несколько параметров. Прежде всего к 
ним относится внешний квантовый выход излучения ηЭЛ: 

 
ηЭЛ = γ ⋅ ηвнутр ⋅ ηопт, 
(1.1) 

где γ – коэффициент инжекции; 
ηвнутр – внутренний квантовый выход излучения; 
ηопт – коэффициент вывода излучения из кристалла наружу. 

Значения γ и ηвнутр определяются параметрами излучающих 
структур, условиями изготовления p – n-перехода, зависят от плотности тока и тепловых режимов работы диода. 

Однако внешний квантовый выход излучения не полностью 
характеризует эффективность преобразования энергии в диоде. В 
том случае, когда энергия квантов излучения меньше ширины запрещенной зоны, т. е. hν < Еg (например, при примесной излучательной рекомбинации), полная энергия излучения даже при квантовом 

5 

выходе (ηЭЛ = 1) может быть меньше энергии возбуждения. Кроме 
того, часть энергии рассеивается в виде тепла на сопротивлении 
омических контактов и толщине излучающего диода. 

В связи с этим, другим важным параметром люминесцентного диода является коэффициент полезного действия (КПД) ηp, характеризующий отношение полной мощности излучения Pизл к затраченной электрической мощности Р: 

пр
пр

изл
изл
η
U
I
P
P
P
p
⋅
=
=
, 
(1.2) 

где Uпр – прямое падение напряжения на диоде, B; 
Iпр – прямой ток через диод, A. 

Полная мощность излучения равна: 

e
h
I
P
макс
пр
ЭЛ
изл
ν
η
⋅
⋅
=
, 
(1.3) 

где hνмакс – энергия в максимуме спектра излучения 
(hνмакс, эВ = 1239 / λмакс, нм); 
λмакс – длина волны в максимуме спектра излучения. 

Подставив формулу (1.3) в выражение (1.2) получим: 

e
U
h
p
⋅

⋅
=

пр

макс
ЭЛ
ν
η
η
. 
(1.4) 

Для большинства диодов энергия hνмакс ≈ e ⋅ Uпр и значения 
ηЭЛ и ηP близки. В случае, когда прямое напряжение превышает 
энергию излучаемых квантов, для оценки эффективности излучающего диода более правильно использовать КПД (ηP) вместо внешнего квантового выхода (ηЭЛ). 

1.2.2. Технология изготовления 
светоизлучающих диодов (СИД) 

Для получения качественных СИД, излучающих в видимой 
области спектра, особенно важно соблюдение технологии получения 
исходных полупроводниковых материалов. К наиболее используемым материалам относятся прямозонные твердые растворы соединений AIIIBV: GaAs1–xPx, AlxGa1–xAs, (AlxGa1–x)1–yInyP и Inx(Ga1–yAly)N. 

6 

На основе твердых растворов GaAs0,6P0.,4 n-типа, выращенных 
на подложках GaAs n+-типа, изготавливают СИД, излучающие в 
красной области спектра (λмакс ≈ 655 нм) с диффузионным p – nпереходом. Как правило, квантовый выход излучения СИД достаточно мал (0,1...0,2 %) из-за поглощения света в подложке GaAs, имеющего более узкую ширину запрещенной зоны, чем излучающая область GaAs0,6P0,4 p-типа. Вместе с тем, этот материал находит широкое применение, благодаря сравнительно низкой стоимости исходных эпитаксиальных структур, выращенных газофазным хлоридогидридным методом. 

Существенное увеличение квантового выхода излучения было достигнуто в СИД, полученных на основе гетероструктур системы 
AlxGa1–xAs, излучающих в красной области спектра (λмакс ≈ 660 нм). 
Гетероструктуры с активным излучающим слоем Al0,35Ga0,65As  
p-типа и широкозонными эмиттерами Al0,50Ga0,50As n- и p-типа выращиваются методом жидкофазной эпитаксии на подложках GaAs. 
При изготовлении СИД этого типа подложка или сохраняется (при 
этом квантовый выход составляет 0,5...1 %), или удаляется (квантовый выход увеличивается до 2...4 %). 

Перспективным материалом для СИД, излучающих в широкой 
области спектра от красного до желто-зеленого (λмакс ≈ 660...565 нм) 
являются гетероструктуры системы (AlxGa1–x)1–yInyP, выращенные методом газофазной эпитаксии металлоорганических соединений на 
подложку GaAs. Изменяя соотношения элементов третьей группы 
(изменяя x и y) можно управлять цветом свечения. Квантовый выход у 
СИД, излучающих в красно-оранжевой и желтой области спектра может достигать 10 % (у СИД с удаленной GaAs подложкой). 

Исключительно перспективным материалом для СИД, излучающих в красной (λмакс ≈ 520 нм) и синей области спектра 
(λмакс ≈ 460 нм), являются гетероструктуры системы Inx(Ga1–yAly)N, 
выращенные на подложках сапфира методом газофазной эпитаксии 
из металлоорганических соединений In, Ga, Al и аммиака. Цвет свечения таких СИД определяется содержанием индия в активном слое 
InxGa1–xN (при х = 0,40 – зеленый, при х = 0,2 – синий). Квантовый 
выход данных СИД составляет от 4 до 7 %. 

Для промышленного изготовления дешевых СИД, излучающих в оранжевой, желтой и зеленой области спектра используются 
непрямозонные газофазные структуры системы GaAs1–xPx и жидкофазные структуры системы Ga1–xPx, легированные изоэлектронной 
примесью азота, увеличивающий вероятность излучательной реком
7 

бинации. Составы систем с х = 0,65 используют для изготовления 
светодиодов, 
излучающих 
в 
оранжевой 
области 
спектра 
(λмакс ≈ 635 нм), составы систем с х = 0,85 для СИД, излучающих в 
желтой области спектра (λмакс ≈ 580 нм). Из жидкофазных GaPструктур с выращенным p – n-переходом в основном изготавливают 
СИД, излучающие в зеленой области спектра (λмакс ≈ 580 нм ). 

1.3. Приборы и материалы 

1.3.1. Экспериментальные образцы 

Исследование мощности излучения и КПД проводится на 
диодах, изготовленных на основе гетероструктур AlGaAs, InAlGaP, 
InAlGaN и GaP. Диоды представляют собой излучающие мезакристаллы размером 0,3 × 0,3 мм2, помещенные в стандартный металлопластмассовый корпус. В работе используются диоды, изготовленные из следующих материалов: 

− 
AlGaAs, излучающий в красной области спектра 
(λмакс ≈ 660 нм); 

− 
InAlGaP, излучающий в желтой области спектра 
(λмакс ≈ 592 нм); 

− 
InAlGaN, излучающий в зеленой области спектра 
(λмакс ≈ 520 нм); 

− 
GaP, излучающий в желто-зеленой области спектра 
(λмакс ≈ 565 нм); 

1.3.2. Измерительное оборудование 

Схема установки для измерения мощности излучения представлена на рис. 1.1. Электрический ток прямого направления подается на исследуемый диод 1 от источника тока 2. Величина мощности излучения и прямого падения напряжения на диоде регистрируются измерительными приборами: фотометром 4 и цифровым вольтметром 5. 

8 

Iкз
Iпр

4

Рис. 1.1. Схема установки измерения мощности излучения 

Поток излучения диода падает на поверхность фотоприемника 3, который преобразует его в электрический сигнал. Измерительная схема обеспечивает работу фотоприемника в режиме, близком к 
короткому замыканию так, что его выходной ток (Iкз) пропорционален мощности излучения. 

В качестве фотоприемника используется калиброванный фотодиод типа ФД-24К с площадью фоточувствительной поверхности 
1 см2, встроенный в фотометр 4. Фотометр откалиброван и позволяет 
проводить измерения в мВТ, если диаметр светового потока из диода 
не превышает 1 см2. 

Абсолютная погрешность единичного измерения мощности 
излучения составляет не более 20 % с доверительной вероятностью 
0,95. 

1.4. Порядок проведения работы 

Каждому студенту предлагается провести измерения параметров трех светоизлучающих диодов, отличающихся длиной волны 
в максимуме спектра излучения λмакс и технологией изготовления. 

9 

1. Измерить величину мощности излучения Ризл светодиодов 
для следующих значений прямого тока Iпр через излучающий диод: 5, 
10, 20, 40, 50 мА. 

2. Одновременно с измерениями Ризл зафиксировать значения 
прямого падения напряжения на излучающем диоде Uпр для каждого 
значения Iпр. 

1.5. Обработка результатов измерений 

1. По результатам измерений построить зависимости вольтамперных характеристик Uпр = f(Iпр) для исследованных светодиодов. 

2. Рассчитать по формуле (1.2) КПД светодиодов и построить 
зависимости ηp от тока Iпр (ηp = f(Iпр)). 

1.6. Требование к отчету 

Отчет должен содержать: 
− 
описание принципа действия излучающего диода; 

− 
краткое описание принципа действия установки; 

− 
схему установки; 

− 
результаты эксперимента в виде табл. 1.1; 

− 
графики зависимостей Uпр = f(Iпр) и ηp = f(Iпр). 

Таблица 1.1 

Iпр, А 
Ризл, мВт 
Uпр, В 
ηp

5 
10 
20 
40 
50 

1.7. Контрольные вопросы и задания 

1. Что такое излучательная рекомбинация носителей заряда в 
полупроводниках? 

2. Какие материалы обладают максимальным внутренним 
квантовым выходом излучения? 

3. По каким основным параметрам выбирают материал подложки для изготовления эпитаксиальных гетероструктур для СИД? 

10 

4. Каков принцип действия СИД? 
5. Каким преимуществом обладает p – n – p-гетеропереход в 
СИД по сравнению гомо – p – n-переходом? 

6. Опишите принцип действия фотодиода на кремнии. 

1.8. Литература 

1. Берг А., Дин П. Светодиоды. – М.: Мир, 1979. 
2. Основы оптоэлектроники / Пер. с япон.; под ред. К.М. Голанта. – М.: Мир, 1988. 

3. Ермаков О.Н., Сушков В.П.. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. – М.: Радио и связь, 1990. 

11