Светодиоды красного спектра

 

Отчёт по индивидуальному заданию №1

по дисциплине «Наноэлектроника»

 

Вариант – 33

 

 

Студент гр. 364-1:

________ В.В. Чепель

«___»_________________

 

Проверил:

К.т.н., доцент каф. ФЭ

____________Ю.В.Сахаров

 

Томск 2016

 

1 ЗАДАНИЕ

Расчет параметров красного светодиода. Основная длина волны – 700 нм.

 

2 РЕШЕНИЕ

Энергия фотона [1]:

(2.1)

 

где h – постоянная Планка;

c – скорость света;

λ – длина волны фотона.

По формуле (2.1) найдена энергия фотона с длиной волны 700 нм:

 

Общий вид двойной гетероструктуры для изготовления светодиода представлен на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – двойная гетероструктура

 

В квантовой яме в зоне проводимости должен быть один энергетический уровень. Энергия испустившегося фотона [2]:

 

 

, (2.2)

где m_n^* - эффективная масса электрона;

m_p^* - эффективная масса дырки;

a – ширина квантовой ямы.

 

Согласно [3] для светодиодов красного спектра используется гетероструктуры Al_xGa_1-xAs/GaAs и Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs/Al_xGa_1-xAs. Структура Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs/Al_xGa_1-xAs лишена недостатка структуры Al_xGa_1-xAs/GaAs в которой толщина активного слоя получается маленькой [3]. Поэтому для светодиода будем использовать гетероструктуру Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs/Al_xGa_1-xAs. Параметры Al_xGa_1-xAs зависят от x (y) [3], [4], [5], [6], [7]:

Eg=1,424+1,247x (x<0,45); 1,9+0,125x+0,143x² (x>0,45) (эВ);

a=5,66533+0,00809x (A);

m^*/m₀ (электрона)=0,063+0,083x;

m^*/m₀ (дырки)=0,45+0,25x

Пусть ширина активного слоя составляет 16 постоянных решетки и y<0,45. С помощью Mathcad рассчитан y, при котором энергия испустившегося фотона равняется 1,776эВ:

 

 

эфф. масса эл.

эфф. масса дырки

 

ширина запр. зоны активного слоя

постоянная решетки

 

 

 

Т.к. 0<y<0,45, то единственный подходящий корень y=0,2305. Проверка:

 

эВ

 

Тогда первый энергетический уровень в зоне проводимости:

эВ

 

 

 

Второй:

эВ

 

эВ

Параметры активного слоя:

м

м - толщина активного слоя

 

 

Чтобы в зоне проводимости был 1 энергетический уровень, глубина квантовой ямы должна быть больше 0,056 эВ и меньше 0,22228 эВ. Пусть x>0,45. С помощью Mathcad рассчитан диапазон x, удовлетворяющий всем условиям:

 

 

Пусть x=0,97, и толщина барьерного слоя в 4 раза больше толщины активного слоя. Тогда параметры барьерных слоёв:

эВ

м

 

м - толщина барьерного слоя

 

 

Глубина квантовой ямы:

эВ

 

 

Расхождение постоянных решеток:

%

 

 

Проверка условий: толщина квантовой ямы меньше длины волны Де Бройля [2]:

 

м

 

 

Разница между глубиной квантовой ямы и первым энергетический уровнем должна быть больше kT:

эВ

 

эВ

 

Толщина ямы должна быть такой, чтобы в ней был хотя бы 1 энергетический уровень, таким образом максимальная энергия одного энергетического уровня равна глубине квантовой ямы:

 

 

Минимальная толщина квантовой ямы 4,525 нм. Расчётная ширина удовлетворяет данным условия: 4,525 нм < 9,048 нм< 21,76 нм.

 

На рисунке 2.1 представлена энергетическая диаграмма ДГС.

Рисунок 2.1 – энергетическая диаграмма ДГС

 

На рисунке 2.2 представлена структура светодиода.

Рисунок 2.1 – конструкция светодиода

.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. И.В. Савельев «Курс общей физики»

2. П.Е. Троян, Ю.В. Сахаров «Наноэлектроника»

3. Ф. Шуберт «Светодиоды»

4. Ahmed Al-Samaneh «VCSELs for Cesium-Based Miniaturized Atomic Clocks»

5. http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/AlGaAs/bandstr.html

6. Sadao Adachi «GaAs and Related Materials: Bulk Semiconducting and Superlattice Properties»

7. Espen Rogstad «Fabrication and Characterization of GaAs/AlGaAs Core-Shell Photonic Nanowires»