Наиболее важными материалами для светодиодов оказались арсенид и фосфид галлия и тройные твердые растворы на их основе, подробно анализируемые в книге. Авторы книги сознательно ограничили круг рассматриваемых вопросов материалами для видимой области спектра, наиболее важной для светодиодов.

Сейчас уже хорошо систематизированы различные механизмы рекомбинации: собственная межзонная и экситонная для прямых и непрямых переходов; рекомбинация свободных носителей на примесных состояниях и экситонов, связанных на примесях или примесных комплексах; межпримесная рекомбинация на донорно-акцепторных парах; рекомбинация в сильно легированном полупроводнике в случае слабой и сильной компенсации; рекомбинация с взаимодействием большого числа носителей, в частности излучение электронно-дырочных капель. В книге подробно рассмотрены все механизмы, существенные для светодиодов. Читатели, для которых наиболее важны физические принципы излучательных процессов в твердых телах, найдут в книге их достаточно систематическое изложение.

Затем следует выделить направление, связанное с исследованием принципиальной неоднородности в полупроводниковых структурах для светодиодов - гомогенных и гетерогенных р - п-переходах. Для инжекционной электролюминесценции было чрезвычайно важным развитие физики р - п-переходов, выяснение существенной роли рекомбинации в области пространственного заряда и туннельных процессов в светодиодах и выявление возможностей гетеропереходов. Эти вопросы также освещены в книге Берга и Дина. Однако последнее время были получены новые результаты, связанные с пониманием роли переизлучения в гетеропереходах и варизонных структурах; были достигнуты рекордно большие значения внешнего квантового выхода излучения [до 40% при комнатной температуре для структур на основе Gai-;tAlxAs; Алферов Ж. И. и др., Гетеро-светодиоды с внешним квантовым выходом г\е =40% (300 К).-

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

Письма в ЖТФ, 1977, т. 3, вып. 14, с. 657]. По-видимому, эти результаты могут быть важны для дальнейших разработок.

Успехи в создании светодиодов были обеспечены принципиально новыми шагами в технологии выращивания совершенных кристаллов соединений типа А В, развитием методов жидкостной и газовой эпитаксии и выбором условий для создания идеальных гетероструктур. Авторы книги дают ясное представление об основах технологии выращивания структур для светодиодов. Конечно, в книге такого рода не обращается внимания на тонкости технологических процессов, но цитируемая литература столь обширна, что позволяет заинтересованному читателю получить всю информацию, опубликованную до 1975 г.

Если о свойствах материалов, механизмах излучательной рекомбинации, особенностях структур с р - п-переходами и о гетеропереходах публиковались обзоры различного рода, то о конструкциях светодиодов, обеспечивающих оптимизацию их свойств и максимальный вывод излучения, обзорной литературы до сих пор практически не было. В книге Берга и Дина дан подробный анализ таких конструкций, разработанных в последние годы.

Проблеме восприятия излучения светодиодов в связи с особенностями человеческого зрения вначале уделялось мало внимания. Но для применения светодиодов в индикаторах необходимо было решить ряд светотехнических задач. Результаты такого рода исследований отражены в данной книге.

Для массовой продукции и применений светодиодов особо важны их надежность и долговечность. Пока прошло сравнительно немного времени, чтобы можно было ожидать полного решения этих вопросов. Поэтому они излагаются в книге менее последовательно и лишь в той мере, в какой это было возможно на основании результатов отдельных исследований в момент написания книги.

Светодиоды являются одним из основных элементов новой области электроники -оптоэлектроники. Особенно широкое применение светодиоды находят в буквенно-цифровых индикаторах и оптронах. По-видимому, передача, обработка, хранение и вывод информации с помощью оптических методов будут развиваться в ближайшие годы нарастающими темпами, и в связи с этим будут все шире применяться самые различные типы светодиодов. В книге отражен лишь первый этап этих исследований.

Сказанное выше дает представление о том круге разнородных, но связанных между собой проблем, которые систематизировали и изложили авторы книги.

Следует отметить, что большой вклад в развитие исследований и разработок внесли советские ученые. Авторы книги отме-

чают оригинальность работ О. В. Лосева, неоднократно цитируют советских авторов. Однако список опубликованных работ на русском языке можно было бы существенно расширить; сделанные редактором перевода дополнения лишь частично восполняют этот пробел. (Список дополнительной литературы помещен в конце книги.)

В авторском предисловии указаны некоторые важнейшие нерешенные проблемы, в частности проблема создания эффективных светодиодов для коротковолновой части спектра - голубых, синих, фиолетовых. Пока показана принципиальная возможность создания светодиодов для этих спектральных областей на основе нитрида галлия, карбида кремния и широкозонных соединений типа А В. Однако эти возможности сейчас не могут быть реализованы в промышленности из-за сложностей технологии, недостаточной эффективности и экономических соображений (их осуществление потребовало бы неоправданных затрат). Между тем, если эта проблема будет решена, область применения светодиодов существенно расширится, в частности, станет возможным воспроизведение всей гаммы цветовых оттенков с помощью светодиодов. Укажем еще на одну заманчивую перспективу - создание телевизионного экрана с помощью плоской панели из светодиодов. Для решения этой задачи необходимо понижение рабочих токов светодиодов приблизительно на два порядка при условии, что световой поток практически останется неизменным; до этого решения пока еще далеко.

Ценность книги не только в обобщении существующих научных принципов, основ технологии и возможностей применения светодиодов, но и в том, что она послужит отправной точкой для дальнейших исследований и разработок. Она долгое время будет необходимой и для студентов старших курсов, и для инженеров-конструкторов и технологов, и для научных работников.

При переводе английского словообразования light-emitting diodes мы использовали слово светодиоды , которое, по нашему мнению, лучше соответствует русской терминологии, чем применяемое иногда в литературе словообразование светоиз-лучающие диоды . Термин светодиоды для диодных преобра зователей электрической энергии в световую можно сравнить с термином фотодиоды для диодов, регистрирующих излучение и преобразующих световую энергию в электрическую.

В переводе книги участвовали: Л. А. Ангелова (гл. 1, 2, разд. 3.2), Э. Ю. Баринова (гл. 4), А. И. Лебедев (разд. 3.4), Ю. В. Озеров (разд. 3.5), А. Б. Ормонт (разд. 3.3, 3.6, гл. 5), В. М. Стучебников (разд. 3.0, 3.1, гл. 6 и 7).

Редактор пользуется случаем выразить признательность авторам за предисловие к русскому изданию.

Л. Э. Юнович

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Мы весьма рады возможности написать предисловие к русскому изданию нашей книги о светодиодах, которая была опубликована в 1976 г.

За два года, прошедшие после окончания работы над книгой, положение дел для основных применений светодиодов существенно не изменилось. За этот период применение светодиодов в электронной аппаратуре стало более привычным, особенно в калькуляторах, микропроцессорах и электронных приборах общего назначения. Микропроцессоры увеличили возможности оборудования, используемого для передачи данных, в измерительной аппаратуре, автомобилях и бытовой технике. Светодиоды необходимы во всех этих применениях для передачи информации от машины к человеку.

В настоящее время имеется много различных устройств отображения информации на светодиодах. Однако для некоторых применений, особенно там, где важно уменьшить потребление мощности, большую конкуренцию светодиодам составляют другие типы приборов. Среди этих применений важное значение имеют наручные часы, для которых чаще используются усовершенствованные и более долговечные, чем прежние, циферблаты из нематических жидких кристаллов с подсветкой, обеспечиваемой люминофором, возбуждаемым радиоактивным газообразным тритием.

Стоимость промышленных светодиодов за последние несколько лет существенно уменьшилась благодаря, в частности, использованию германия вместо арсенида галлия для подложек светодиодов из GaAsP. С другой стороны, основные промышленные типы цифровых индикаторов на светодиодах изменились мало, если не считать того, что стали более доступными, красивыми и с цифрами высотой до 1,5 см и больше. Эти светодиоды изготавливаются также из GaP или GaAsi ;P;.

Интерес к видимому излучению светодиодов из AUGai-iAs возник главным образом как побочный результат громадных затрат последних лет на технические разработки этой системы в связи с промышленным применением AUGai ;As - наиболее важного полупроводника для инжекционных лазеров и некоге-

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

рентных ярких источников излучения в ближней инфракрасной области -для систем оптической связи. Однако лазеры и яркие инфракрасные диоды еще не заняли устойчивого положения на рынке, поэтому в настоящее время трудно сказать, какой полупроводниковый материал будет наиболее важным для систем оптической связи, а именно Al;tGai ;tAs или четверной твердый раствор для более длинноволновых источников GalnAsP.

Параметры обычным образом изготовленных красных светодиодов из AUGai-As пока не намного лучше, чем для красных светодиодов из GaAsi-;?;, а технология их изготовления сейчас дороже. Интересно отметить противоречие в развитии технологии этих материалов. Наиболее разработанные приборы из Al,vGai-As почти всегда изготавливаются жидкостной эпи-таксией, а в исследовательских лабораториях имеются еще некоторые разработки молекулярной эпитаксии. Напротив, почти все светодиоды для видимой области изготавливаются в промышленности эпитаксиальным выращиванием из газовой фазы. Предполагается, что такое резкое различие будет стираться в ближайшее время в результате быстро растущего интереса к методу выращивания кристаллов с алкиловым переносом. Этот метод представляет собой вариант метода газовой эпитаксии, в котором элемент HI группы, входящий в соединение типа А В, переносится к подложке в составе метилового и этилового металлоорганического соединения. Он полностью применим для изготовления AUGai-As в отличие от обычного метода газовой эпитаксии, используемого для выращивания соединений типа А В. Метод жидкостной эпитаксии, разработанный фирмой Сименс для изготовления зеленых светодиодов из GaP, по стоимости конкурентоспособен с промышленным методом газовой эпитаксии. С другой стороны, фирма Плесси изготовила светодиоды рекордно большой яркости и лазеры с помощью метода газовой эпитаксии. Таким образом, различие между двумя методами будет стираться со временем, если только не обнаружатся особые преимущества (в стоимости или свойствах) одной из методик.

В разработках светодиодов в видимой области спектра - главном предмете этой книги - возрастает промышленное применение GaAs, ;tP;t, сильно легированного азотом, в оранжевых или желтых источниках света, хотя и имеется конкуренция со стороны GaP, легированного азотом. За последнее время свойства изоэлектронной ловушки N -активатора люминесценции в этих соединениях -стали более понятными. Недавно было ясно показано, что примесное состояние N, перекрывающееся с состояниями в зоне проводимости вблизи точки Г при достаточно малых значениях параметра состава х, обусловливает увеличение порога вынужденного излучения; это можно объяс-

нить простыми соображениями, что прямые межзонные электронные переходы ослабляются за счет сильной связи электрона на ловушке. Кроме того, сейчас ясно, что невозможно разрешить линии люминесценции NN-nap при х.<:0,85. Широкие полосы люминесценции, обозначенные символами NN на рис. 3.55, идентифицированы с состояниями обычной N-ловушки для электронов, которые связаны с Х-минимумом зоны проводимости. В то же время дополнительные линии в люминесценции в коротковолновой области, обусловленные азотом в твердых растворах при составах, близких к точке перехода к непря-мозонной структуре, идентифицированы с состояниями N-ловушки для электронов, которые связаны с Г-минимумом. Теоретическое описание этих двух связанных состояний включает двухкомпонентный потенциал с центром в узле Np, часть которого имеет существенно большую протяженность, чем это считалось возможным ранее. Оба эти заключения развивают дальше высказанные в настоящей книге соображения.

За последнее время продвинулись вперед исследования особенностей структуры края зоны проводимости в GaP. Среди других результатов следует отметить пересмотр значений энергии ионизации доноров, представленных в табл. 3.1 (они сдвинуты вверх на 3 мэВ). Кроме того, прямые измерения энергии фотоионизации привели к необходимости увеличить энергию ионизации акцепторов на неожиданно большую величину, а именно на 8 мэВ. Эти изменения в свою очередь приводят к увеличению ширины запрещенной зоны при низкой температуре на ~ 11 мэВ, т. е. к величине, очень близкой к 2,35 эВ; соответственно увеличиваются полные энергии связи электронно-дырочных пар для всех связанных экситонных состояний, включая изоэлектронные ловушки, являющиеся активаторами люминесценции. Пересмотренная величина полной энергии для центра N в GaP составляет 32 мэВ, т.е. увеличение довольно большое (~50%); эти результаты существенны для подробного анализа кинетики люминесценции на такой важной ловушке. Теперь стало легче объяснить, почему рекомбинация связанного экси-тона на примеси азота важна вплоть до 300 К, когда АГ=26мэВ (фиг. 3.17 и 3.18).

За последние два года развивались и исследования глубоких ловушек, которые играют большую роль в ряде соединений типа АВ; они определяют их важнейшие электронные свойства, в частности время жизни неосновных носителей. При этом нашли широкое? распространение некоторые спектроскопические методы, описанные в настоящей книге. В большей части экспериментальных работ ловушки регистрируются по их вкладу в емкость р - -перехода или барьера Шоттки. До сих пор почти во всех работах изучалась GaAs, GaP и ALGai ;As и было