Светоизлучающий кристалл. Для изготовления светоизлучающих кристаллов используют эпитаксиальные структуры, рассмотренные в гл. 3. Выбор вида эпитаксиальных структур определяется, с одной стороны, назначением диода, а с другой стороны-основными характеристиками кристаллов на основе рассматриваемых структур.
Такие ориентировочные характеристики кристаллов приведены в табл. 4.1 без использования просветляющих покрытий. Zn-0. Для получения максимальной силы излучения предпочтительны структуры Ga0,7Al0,3As, GaP Zn, О. Следует иметь в виду, что кристаллы на основе структур с прозрачной подложкой, например структур на GaP-подложке, имеют значительное боковое излучение, что позволяет при его сборе и использовании существенно увеличить силу света и силу излучения.
В производстве светоизлучающих диодов используются кристаллы весьма малых размеров - по-видимому, одни из самых малых в электронике. Это вызывается следующими обстоятельствами высокой стоимостью и дефицитностью исходных материалов повышением квантового выхода излучения с увеличением плотности тока для большинства материалов повышением эффективности оптической системы светоизлучающего диода для сбора и преобразования излучения при уменьшении размера кристалла возможностью получить светящееся пятно необходимых размеров за счет различных конструктивных решений по прибору в целом. Ограничивающие факторы в уменьшении размера кристалла возрастающие трудности сборки, особенно автоматизированной, и деградация оптических характеристик приборов в процессе работы.
В связи с изложенным, в настоящее время кристалл светоизлучающих диодов в большинстве случаев имеет размер грани от 0,35 до 0,5 мм. Омические контакты к кристаллам изготавливают методами тонкопленочной технологии.
Тонкий слой контактного металла более теплопроводен и электропроводен, чем толстый, вызывает меньшие механические напряжения в кристалле и позволяет скалывать или вырезать кристалл вместе с контактным металлом.
Одновременно контакты в виде плоских пленок позволяют применить высокопроизводительную технологию приварки гибкого вывода и пайки кристаллов на кристаллодержатель с использованием современного микросборочного оборудования. При изготовлении контактов к кристаллам светоизлучающих диодов верхний омический контакт должен быть, с одной стороны, минимальной площади для уменьшения потерь света, с другой стороны, содержать площадку, согласованную по размерам со сварочным инструментом, а также иметь элементы, обеспечивающие равномерное растекание тока по площади р-n-перехода.
Для достижения последней цели применяют также дополнительное поверхностное легирование структуры, например методом диффузии. Равномерное растекание тока по площади р-n-перехода улучшает стабильность диодов в процессе работы и вывод излучения из кристалла. Нижний контакт может быть сплошным, если подложка непрозрачна для генерируемого излучения, и может быть отражающим свет для кристаллов с прозрачной подложкой.
Во втором случае площадь омических контактов должна быть, с одной стороны, минимальной для обеспечения максимальной доли отраженного света, а с другой стороны, достаточной для обеспечения необходимого теплоотвода от кристалла и необходимой величины прямого напряжения. Отражение света отражающим нижним контактом основано на эффекте полного внутреннего отражения света, падающего на границу раздела полупроводник - диэлектрик под углом, большим критического.
Отраженный от нижней грани свет повторно падает на верхнюю или боковые грани кристалла и увеличивает долю выводимого из кристалла света. Этот процесс может повторяться несколько раз. В последнее время изготавливают также кристаллы с мезаструктурой на основе высокоэффективных жидкостно-эпитаксиальнйх структур со сплошным р-n-переходом. Достоинства таких кристаллов следующие 1 для структур с сверхлинейной зависимостью квантового выхода излучения от плотности тока например, GaP N применение мезаструктур позволяет увеличить плотность тока и, тем самым, эффективность приборов 2 уменьшение размеров светящейся области кристалла повышает эффективность оптической системы диода и, тем самым, эффективность прибора в целом 3 увеличение плотности тока способствует повышению эффективности диодов при малых токах питания, что позволяет применять их в устройствах с батарейным питанием 4 расширяется диапазон токов, в котором наблюдается линейная зависимость мощности излучения от тока, что позволяет использовать светоизлучающие диоды в аналоговых оптоэлектронных устройствах о наличие травленой поверхности в месте выхода р-n-перехода наружу и отсутствие разрушенного резкой слоя повышает стабильность и надежность приборов в эксплуатации 6 снижается трудоемкость монтажа кристаллов на держатель благодаря применению кристаллов приемлемых размеров. Кристаллы с мезаструктурой на основе GaP N из-за увеличения плотности тока в 2-3 раза позволили получить в 1,3-1,5 раза большую силу света, чем дают кристаллы плоской конфигурации с площадью р-n-перехода 0,25 мм2. Увеличение силы света обусловлено характерной для GaP N зависимостью Jn, где J - плотность тока nl,5. Получают некоторое развитие также кристаллы с планарной структурой на основе жидкостно-эпитаксиальных структур со сплошным р-n-переходом, получаемые разделительной диффузией цинка например, на основе Ga1-xAlxAs гетероструктур р -р-n-типа. Достоинства приборов на основе таких планарных кристаллов - высокая эффективность, а также стабильность и надежность в процессе эксплуатации.
По-видимому, применение жидкостно-эпитаксиальных кристаллов с мезаструктурой или планарным р-n-переходом в дальнейшем будет расширяться для создания приборов с повышенной эффективностью и надежностью. Следует отметить, что из структур с прозрачной подложкой например, из GaP структур могут быть изготовлены также кристаллы полусферической конфигурации.
Б этом случае внешний квантовый выход излучения увеличивается за счет уменьшения потерь на полное внутреннее отражение света.
В одной из работ получены диоды с зеленым свечением с вн 0,41 на сравнительных диодах с плоским кристаллом вн 0,17 . Спектр излучения полусферических диодов более зеленый. Это объясняется тем, что в полусфер ических кристаллах большая часть света выводится после первого падения излучения на поверхность, благодаря чему уменьшается поглощение света в кристалле, особенно в коротковолновой части спектра.
Однако полусферические кристаллы из GaP не нашли практического применения в связи с увеличением стоимости прибора.