Содержание к диссертации
Введение
1. Гетероструктуры с квантовой ямой на основе GaN 14
1.1. Полупроводниковые гетероструктуры 14
1.2. Кристалл с ОКЯ 15
1.3 Кристалл сМКЯ 16
1.4. Газо-фазная эпитаксия при низком давленій из металлорганических соединений. 18
1.5. Ширина запрещенной зоны в InGaN/GaN 19
1.6. Спектры голубых СД. 12
1.7. Вольт-амперные характеристики голубых СДс ОКЯ 22
1.8. Вольт-амперные характеристики голубых СДсМКЯ. 23
1.9. Волып-фарадные характеристики голубых СД 24
1.10. Туннельная излучателъная рекомбинация 25
1.11. Модель туннельного тока 26
1.12. Квантовый выход излучения светодиодов с квантовыми ямами 27
1.13. Пути улучшения электролюмииещентных характеристик СД на основе InGaN/GaN 28
1.14. Деградация нитрид галлиевых светодиодов 30
7.75. Электрофизические характеристики голубых СД InGaN/GaN-светодиодов при высокой плотности тока 31
1.16. Параметры глубоких уровней (ГУ) в кристаллах AlGaNAnGaN/GaN 32
1.17. Гетероструктуры с туннельно-связанными квантовыми ямами 33
2. Электрические характеристики голубых светодиодов 35
2.1. Образцы для исследований 35
2.2. Вольт-амперные характеристики и CV-характеристики голубых СД 40
2.3. Механизмы токопереноса в СД. 45
2.4. Исследование прыжковой проводимости 46
2.5. Расчёт энергии активации 52
2.6. Определение концентрации доноров - Nd 55
2.7. Исследования ВАХпри обратных напряжениях смещения 56
3. Люминесцентные характеристики голубых светодиодов 59
3.1. Электролюминесцентные характеристики СД 59
3.2. Низкотемпературные спектральные исследования 65
3.3. Заполнение энергетических уровней в трехуровневой модели 71
3.4. Коэффициент полезного действия (КПД) СД 74
4. Исследование рекомбинационных центров в голубых СД 83
4.1. Термостимулированная ёмкость (ТСЕ) 83
4.2. Нестагщонарная спектроскопия глубоких уровней - НСГУ (DLTS) 87
4.3. Концентрация глубоких уровней в структуре InGaN/GaN и вероятность туннелирования носителей заряда 90
4.4. F^комбинационная спектроскопия глубоких уровней. Туннельная рекомбинация 91
4.5. Дифференциальные показатели наклона ВАХ' - Д 94
5 Влияние у-облучения на электро-физические параметры голубых СД 98
5.7. Изменение ВАХ голубых СД после облучения 98
5.2. Трансформация концентрационного профиля ліелкой примеси в СД и анализ CV-характеристик голубых СД после облучения у-излучением 100
5.3. Влияние у-облучения на ГУ в структурах AlGaN/InGaN/GaN с квантовыми ямами 104
5.4. Анализ изменения формы спектра электролюминесценции облученного и необлученного СД 105
5.5. Зависимость яркости и КПД голубых СД в зависимости от дозы облучния 106
Заключение 110
- Кристалл с ОКЯ
- Параметры глубоких уровней (ГУ) в кристаллах AlGaNAnGaN/GaN
- Определение концентрации доноров - Nd
- Коэффициент полезного действия (КПД) СД
Введение к работе
Сегодня светодиоды (СД) прочно вошли в нашу жизнь, но этому предшествовала огромная научно-исследовательская работа. Начиная с 20-х годов прошлого века, проводились исследования электролюминесценции (ЭЛ) полупроводникового перехода. Открытие получило официальное название - «свечение Лосева» в честь радиофизика О. В. Лосева (Нижегородская радиолаборатория (НРЛ)). Первые промышленные образцы светодиодов появились только в начале 60-х годов XX века. Это были фосфидо-галлиевые светодиоды красного свечения. Позже появились карбидокремниевые диоды со свечением жёлтого цвета. Затем удалось создать зелёный и оранжевый светодиоды. Только в 80-х годах был получен светодиод со свечением синего цвета. В 1996 году был изготовлен первый СД, дающий белый цвет свечения [1]. Таким образом, цветовая гамма видимого спектра была полностью «охвачена» светодиодами.
Однако работы по совершенствованию и применению нового класса твердотельных излучающих приборов продолжаются и сейчас. Ежедневно расширяется спектр применения СД. Особенно широко распространились сверхъяркие СД на основе соединений АщВу, в частности, одним из преимущественных направлений стало производство СД на основе нитрида галлия и его твердых растворов. Над решением данных задач работают крупнейшие корпорации мира: DuPont Displays, Samsung, Sony, Hewlett-Packard, IBM, Kodak, Lucent, Philips, а также менее именитые фирмы, специализирующиеся на оптических приборах: King Bright, Osram и др.
Сегодня СД (в том числе и на основе AlGaN/InGaN/GaN) можно встретить:
1) в уличных светофорах (зеленый свет),
2) в оптических приборах автомобилей (сигналы поворота и стоп-сигналы),
3) в подсветках жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев),
4) в качестве индикаторов в различных электронных приборах и охранных системах,
5) в цветных лазерных принтерах высокого разрешения;
6) в системах связи на основе волоконно-оптических линий;
7) в производстве экономичных осветительных устройств (есть мнение, что уже к 2010 году СД вытеснят лампы накаливания);
8) в полноцветных дисплеях;
9) в многокристальных светодиодных матрицах RGB, которые позволяют управлять цветом;
10) на основе светодиодов создано устройство, которое проецирует изображение прямо на сетчатку глаза, что позволяет пациентам с частичной потерей зрения читать и исследовать виртуальные строения.
Также необходимо сказать, что существует две технологии получения белого света с помощью светодиодов. Первая - красный, зеленый и синий кристаллы в одном корпусе. Вторая - более дешевый подход - основан на включении в синий светодиод люминофора, который поглощает часть синего света и флуоресцирует в широком спектре, достигая белого цвета [2]. Это также расширяет сферу применения InGaN/GaN светодиодов.
Столь широкое распространение нитридов - элементов группы Ш (A1N, GaN, InN) и их сплавов - стало возможным лишь благодаря их свойствам: материалы имеют прямую структуру зон с шириной запрещенной зоны от 0.7 эВ до 6.2 эВ при комнатной температуре [4]. Для создания СД-структур с преобладающим излучением в синем и ультрафиолетовом спектральных диапазонах обычно используются GaN и твердые растворы на его основе InxGai_xN, AlxGai_xN. GaN - прямозонный материал, гексагональная модификация которого имеет ширину запрещенной зоны 3.4 эВ при комнатной температуре.
В настоящее время серьезную конкуренцию СД на основе нитрида галлия и его твердых растворов составляют органические полупроводниковые устройства, которые также обладают электролюминесцентными свойствами. Органические полупроводниковые диоды могут быть сделаны на тонких сгибаемых листах, а также обладают меньшей себестоимостью. Однако по своей основной характеристике -яркости - органические СД пока проигрывают светодиодам на основе GaN.
Значение светоотдачи белых светодиодов: на основе IiiGaN/AlGaN/GaN на данный момент уже превышает 90 лм/Вт [5] в сравнении с лампами накаливания - 15 лм/Вт. Среднее время наработки на отказ для СД лежит в диапазоне от 105 до 10б часов - это довольно длительный период, для сравнения - в году 8 760 или 8 784 часов [6, 7].
Несмотря на такие значительные успехи науки в области применения светодиодов на основе нитрида галлия и технологии их производства, остается еще достаточное количество не решенных и не проработанных до конца вопросов. Не до конца исследованными остаются физические процессы, протекающие в таких структурах. В частности, не построена чёткая теория токопереноса, описывающая всё семейство СД на основе GaN с квантовыми ямами (КЯ). Для полного описания структуры InGaN/GaN, её особенностей и физических процессов, протекающих в ней, необходимо провести дополнительно целый ряд экспериментов. Остаются открытыми вопросы о повышении КПД и светоотдачи, о влиянии внешних воздействий на эти параметры, о совместном использовании различных светоизлучающих устройств. Необходимо постоянное совершенствование технологии производства СД с КЯ - в частности, этому могут способствовать исследования в области варьирования количества КЯ, изменения параметров КЯ и уровней в них под внешним силовым воздействием. Также перспективным, на наш взгляд, является исследование дефектов в структурах с КЯ и их влияния на работу СД. Таким образом, актуальность темы не вызывает сомнений.
Цель исследования: определить основные механизмы формирования токов в исследуемой структуре InGaN/AlGaN/GaN; зависимости КПД, яркости и светоотдачи от них, а также пути улучшения излучающих характеристик СД; исследовать глубокие центры в СД на основе InGaN/AlGaN/GaN.
Поставленная цель предполагает решение следующих задач: 1. Исследование механизмов токопереноса в структурах на основе твердого раствора InGaN с двумя КЯ.
1. Экспериментальное исследование электрических и электролюминесцентных характеристик структур на основе InGaN/GaN и параметров рекомбинационных уровней в изучаемых структурах до и после облучения у-излучением. Научная новизна:
1. Предложена модель инверсной заселённости уровней для объяснения процессов излучательной рекомбинации. В случае наличия двух квантовых ям инверсная заселённость может осуществляться на уровне во второй квантовой яме, которая является рабочей, в ней осуществляется зона-зонная излучательная рекомбинация между квантовыми уровнями в квантовой яме.
2. В работе представлено исследование прыжковой проводимости, которое показало, что существуют две плотности состояний вблизи уровня Ферми, проявляющиеся в разных температурных диапазонах. Также
выявлено, что у-облучение кардинально меняет плотность состояний - для необлучённого образца характерен рост плотности локализованных состояний начиная с напряжения g(u) в 1.5 В, который заканчивается значительными осцилляциями g(ju) с ростом напряжения; для облучённых образцов резкий рост плотности состояний наблюдается уже с малых значений напряжения, а затем обнаруживается более стремительное падение. Причём точки максимума (U = 1.36 В для 0.3 мРад и U = 1.42 В для 0.5 мРад) на графиках g(ji)(U) для облучённых образцов представляют собой экстремумы с неопределённой производной.
3. Определены энергии залегания глубоких центров исследуемой структуры с помощью методов рекомбинационной спектроскопии и методами емкостной спектроскопии. Исследовано влияние у-облучения на данные уровни.
4. Установлено влияние у-облучения на яркостные характеристики нитрид галлиевых диодов. Эффективность излучения- растет и достигает максимума при токе 1-3 inA. При дозе 0.3 мРад в максимуме TJ = 11% при дозе 0.5 мРад TJ = 9% ив образце без облучения 8%. Таким образом, в образце, облучённом дозой 0.3 мРад, произошло увеличение эффективности излучения в 1.4 раза.
Практическая значимость:
1. Доказано, что радиационное воздействие на структурные дефекты изменяет их концентрацию и энергию активации, что позволяет увеличивать основной технико-экономический показатель светодиодов - квантовый выход.
2. Представлено математическое описание спектра электролюминесценции как суперпозиция спектров отдельных уровней в квантовой яме. Также разработана модель инверсной заселённости уровней в системе с двумя квантовыми ямами, что позволяет описывать процессы излучательной рекомбинации в InGaN/GaN светодиодах.
3 Используемые в работе методики и комплексный анализ емкостных и вольт-амперных характеристик исследуемого диода позволяют определить ряд важных параметров структур с квантовыми ямами: контактная разность потенциалов, ширина компенсированного слоя, градиент легирующей примеси, высота потенциального барьера, профиль легирования, энергии уровней в квантовой яме.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Установлен механизм токопереноса по температурным зависимостям ВАХ - туннелирование с участием прыжковой проводимости при наличии 2-х плотностей состояний g(u) вблизи уровня Ферми, проявляющихся в различных температурных диапазонах. Функция термической активации тока - Еа = f(U) имеет два квазипостоянных значения с энергией 0.85 эВ и 0.3 эВ (при более высоких напряжениях Еа уменьшается и соответствует возрастанию g(f-i)). Длина прыжка R(U) с ростом U падает при увеличении g(u) и растет при уменьшении.
2. Существуют две стадии воздействия у-излучения на СД: малые дозы -происходит деактивация Mg в р-слое путем разрушения его связи с остаточным (Н) и соответствующее увеличение эффективной концентрации акцепторов; большие дозы - образование точечных дефектов типа пар Френкеля (вероятно смещение из узлов решетки атомов азота N и образование VN - доноров). На первой стадии происходит самокомпенсация (VGa - акцепторы, VN и (VN-NCJ - однозарядные и двухзарядные доноры компенсируют основную примесь Mg). 3. Наблюдается увеличение КПД СД при малых дозах у-облучения. Увеличивается интенсивность полосы электролюминесценции (ЭЛ), что объясняется структурным упорядочением границы раздела InGaN/GaN. В результате такого упорядочения снижается концентрация безызлучательных рекомбинационных центров и, следовательно, возрастает светимость. При высоких дозах облучения интенсивность ЭЛ уменьшается, что связано с интенсивной генерацией поверхностных радиационных дефектов (межузельный Gat мигрирует к поверхности). Подбирая параметры t у-излучения, можно повысить эффективность излучения СД на основе гетероструктур AlGaN/InGaN/GaN. Апробация работы. Результаты исследования представлялись на VIII, IX и X международной конференции «Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» в 2006, 2007 и 2008 годах, г.Ульяновск; на VIII, IX и X всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике: г.Санкт-Петербург, 2006, 2007 и 2008 гг., а также на VIII Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации». - Распознавание-2008, г. Курск, 2008 г. Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается комплексным характером исследований оптических и электрических свойств светодиодов, подтверждением результатов экспериментальных измерений теоретическими расчетами, согласованием полученных в работе результатов с данными других исследователей, использованием только поверенных приборов.
Публикации. Результаты исследований отражены в 12 работах (в том числе 2 публикации - в журналах, рекомендованных ВАК), список которых приведен в конце автореферата.
Личное участие автора. Основные теоретические положения разработаны совместно с д. ф.-м. н., профессором Н.С. Грушко.
Экспериментальное исследование вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик, термостимулированной емкости, нестационарной спектроскопии глубоких уровней, спектральные исследования электролюминесценции проведены автором самостоятельно на установках кафедры Инженерной физики Ульяновского государственного университета. Собрана экспериментальная установка.и создана программа на основе трех универсальных вольтметров В7-46 и источника питания РРЕ3323. Использовался люксметр/яркометр «ТКА-ПК» кафедры Радиофизики и .. электроники Ульяновского государственного университета. Автором самостоятельно выполнена обработка результатов эксперимента.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Материал изложен на 121 страницах, содержит 76 рисунков, 8 таблиц, 82 наименований в списке литературы.
Кристалл с ОКЯ
Полупроводниковая гетероструктура обычно состоит из двух или более слоев с различной шириной запрещённой зоны. Контакт таких слоев, как правило, различающихся химическим составом, представляет собой гетеропереход. Помимо ширины запрещённой зоны на границе раздела полупроводников изменяются подвижность носителей заряда, их эффективная масса и другие характеристики. В резком гетеропереходе изменение свойств происходит на расстоянии, сравнимом или меньшем, чем ширина области пространственного заряда. В зависимости от легирования обеих сторон гетероперехода можно создать р-п-, п-п- или р-р-гетеропереходы. Образование гетеропереходов, требующих стыковки кристаллических решёток, возможно лишь при совпадении типа, ориентации и периода кристаллической решётки сращиваемых материалов. Кроме того, граница должна быть свободна от структурных и других дефектов (дислокаций, точечных дефектов), а также от механических напряжений [8]. В основном гетероструктуры образуются на комбинациях элементов III и V групп периодической таблицы Менделеева. Например, гетероструктура Gao IiiojyAso Sbojg/InAs используется для создания источников света, работающих в среднем инфракрасном диапазоне излучения 3-4-5 мкм [9]; гетероструктура InGaN/AlGaN/GaN с однократной и множественными квантовыми ямами является основой светодиодов синего, голубого, зелёного и белого свечения повышенной яркости [10, 11]; на гетероструктурах GaAs/AlGaAs/GaAs изготавливаются сверхвысокочастотные биполярные транзисторы [12]. Также гетероструктуры могут составляться из элементов IV группы -SiC/Si для приборов высокотемпературной микросистемной техники [13]. Далее в настоящей работе будет приводиться анализ только InGaN/AlGaN/GaN гетероструктуры. Голубые светодиоды (СД) данной структуры имеют две конфигурации: с одиночными квантовыми ямами (ОКЯ) и с множественными квантовыми ямами (МЕСЯ). 1.2. Кристалл с ОКЯ На сапфировой подложке и буферном слое GaN (= 300 А) выращен слой n-GaN:Si ( і=5мкм).
На нем выращен активный тонкий слой InxGai-xN (с1=20ч-30 А). Затем следует широкозонный слой р-А1о iGao gN:Mg (=1000 А) -барьер для электронов, необходимый для инжекции дырок и согласования решетки активного слоя с верхним контактным слоем p-GaN:Mg (=0,5 мкм). На p-GaN:Mg наносится металлический контакт Ni-Au. Площадь кристалла с p-n-гетеропереходом порядка S=0.35 х 0.35 мм". Энергетическая диаграмма представлена на рис. 2. [10]. Структуры с квантовыми ямами позволили уменьшить величину активного слоя до значений, сравнимых с длинной волны. Активный слой имеет меньшую пшрину запрещенной зоны, чем прилегающие к нему области, и играет роль волновода. Потери светового излучения в пассивных областях пренебрежимо малы. В активном слое возникают дискретные уровни, энергия которых зависит от величин потенциальных барьеров на границах конечной прямоугольной ямы [15,16]. Эффективная ширина запрещённой зоны для голубых СД на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN составляет 2,82ч-2,86эВ [10]. Ширина запрещённой зоны нитрида галлия равна 3,4 эВ при 300К. Согласно [21, 22], Eg(InGaN)(x) = 3,50(1 - х) + 1,97х - 2,6х(1 - х) эВ = 2,94эВ при х = ОД 5; Т = 2К. На рисунке 7 показаны спектры голубых СД при комнатной температуре в интервале изменения тока I = 0,03 ч-ОД мА. Спектральная полоса, максимум спектра которой сдвигается от шах =2,20эВ до 2,34 эВ с изменением напряжения V на диоде, связана с туннельной излучательной рекомбинацией. Эта полоса преобладает при малых I; при V 2,30 В резко растет голубая полоса, преобладающая при больших токах [23]. Спектры электролюминесценции голубого СД с модулировано-легированными КЯ в широком диапазоне постоянных токов представлены на рисунке 8. Спектры имеют экспоненциальные спады с обеих сторон. Спад со стороны высоких энергий имеет показатель Ei = ш кТ около 35 мэВ (т « 1.3). Спад со стороны низких энергий Ео был около 55мэВ. Ширина спектров на половине интенсивности составляла 115-120 мэВ для голубых СД с МКЯ [16]. В работа х [10, 24] предлагается модель описания спектров электролюминесценции СД на основе нитрида галлия с квантовыми ямами. Предполагается, что оптические переходы идут между краями двумерных зон проводимости и валентной зоны (1), которые имеют хвосты плотности состояний: Интенсивность электролюминесцентного излучения (2) согласно этой модели имеет вид: где fc(E c,Fn,kT) и l-fv(E „Fp,kT) - функции заполнения электронных состояний вблизи дна зоны проводимости и дырочных состояний вблизи потолка валентной зоны соответственно [25].
Однако в работе [26] те же авторы показывают, что с ростом тока светодиод начинает нагреваться и множитель кТ заметно изменяется. Это приводит к неоднозначности представленной выше модели, в связи с чем предлагается другая модель описания спектра электролюминесценции в светодиодах InGaN/GaN с КЯ: где /if- функция интерференционной модуляции Поэтому максимум гладкой функции 1{Тю ) целесообразно искать из сравнения модельного и экспериментального спектров, введя функцию // по формуле: где а — глубина модуляции, АЕ - период интерференции, Еф — фаза модуляции (вблизи) hcom3X . Для учета дисперсии показателя преломления был введен еще параметр Ь: где АЕ0 — период интерференции вблизи П со гаах . Учет интерференции привел к введению 4 параметров: а, АЕ0, Еф и Ь. Сравнение модельных и экспериментальных спектров показало, что дисперсия показателя преломления (параметр Ь) дает малую поправку, а другие три параметра мало изменяются с изменением тока. 1.7. Вольт-амперные характеристики голубых СДс ОКЯ Вольт-амперные характеристики (ВАХ) голубого СД с ОКЯ в прямой и обратной ветви при 300 К и 77 К и изменение производной Ei = dV/d(ln І) в области U = 1,8 -г 3,0В показаны на рисунке 9. Экспоненциальная часть при малых прямых токах I exp(eU/Ei) имеет в знаменателе показателя энергию Ei= 130 -г- 140 мэВ (при напряжении 1,5-г 2,5 В). Эта часть соответствует туннельной компоненте тока. В этом интервале интенсивность туннельной полосы приблизительно квадратично зависит от тока, Jmax Г"- При больших напряжениях, V 2,6 -г- 2,7 В, преобладает инжекционная компонента тока [23]: На рисунке 10 показаны В АХ голубых СД с МКЯ, на которых наблюдаются участки туннельного тока (тока утечки) при малых напряжениях (V Vi « 1,9 -г 2,1 В). При увеличении напряжения экспоненциальный рост тока в диапазоне 1 = 0,1ч-10мА соответствует инжекции неосновных носителей — дырок — в активную часть структуры с МКЯ. При больших напряжениях V сказывалось последовательное сопротивление Rs, зависимость (4) - тока I от напряжения V: Минимальные значения дифференциального показателя наклона ВАХ m = Vi(q/KT) для голубых СД с МКЯ составляет 1,7-1,9.
Параметры глубоких уровней (ГУ) в кристаллах AlGaNAnGaN/GaN
В [24] показано, что спектры люминесценции и электрические свойства голубых и зеленых светодиодов из InGaN/AlGaN/GaN с одиночными квантовыми ямами заметно изменяются в течение 100- -2000 ч работы при токе 80 мА. Возрастание интенсивности люминесценции при токах 15 мА и увеличение концентрации заряженных акцепторов в области пространственного заряда в первый период старения объясняется дополнительной активацией акцепторов Mg из-за выхода атомов Н из остаточных комплексов Mg-H. Медленное падение интенсивности люминесценции и падение концентрации заряженных акцепторов во второй период может быть объяснено созданием донорных дефектов при длительной инжекции горячих электронов в квантовую яму. Первый период для голубых диодов (70-К100 ч) короче, чем для зеленых (800- 1000 ч), что обусловлено большей компенсацией акцепторов и меньшими электрическими полями в зеленых диодах. После деградации голубых InGaN/GaN-светодиодов, ускоренной токовыми импульсами амплитудой до 50 мА, наблюдаются нестабильные утечки прямого тока. В режиме коротких (tp 20-40 не) импульсов наблюдается задержка в распределении интенсивности ЭЛ по площади, а при увеличении длительности импульсов — темные участки вблизи р-контактных площадок. В рабочем светодиоде при малых постоянных токах (/ 100 мкА) эти участки светятся наиболее интенсивно, а при больших токах (/ 20 мА) — менее интенсивно. Изменение относительной яркости с напряжением в участках под /7-контактом в рабочем светодиоде связывается с повышенной плотностью отрицательно заряженных акцепторных граничных состояний. Предполагается, что в процессе деградации увеличивается плотность состояний на гетерограницах InGaN/GaN и формируется электрический диполь. При формировании диполя потенциальные барьеры в п- и р-споях GaN снижаются, а емкость, соответственно, увеличивается. Это приводит к возрастанию токов утечки, а также к временной задержке растекания инжекционного тока и распределения интенсивности ЭЛ по площади в импульсном режиме. Планарная неоднородность инжекции носителей заряда в InGaN-квантовую яму до и после оптической деградации связывается с диффузией и электромиграцией водорода, индуцированной механическими напряжениями. Металлизация /7-контакта может быть причиной генерации механических напряжений [34].
Также в современной литературе представлены методы отбраковки потенциально ненадёжных гетероструктур- АщВу - AlGaAs/GaAs. В [35] заключается, что потенциально ненадёжные структуры содержат кластеры дефектов, сравнимые по размеру с толщиной активной области, что приводит к резкому ускорению их деградации после гамма-обработки. В то время как снижение скорости деградации мощности излучения в потенциально надежных структурах после гамма-обработки обусловлено релаксацией упругих напряжений в результате облучения гамма-квантами и повышения степени однородности слоев многослойной гетероэпитаксиальной структуры. В [36] исследованы особенности поведения тока, интенсивности и спектров электролюминесценции голубых светодиодов с квантовыми ямами InGaN/GaN при высоких плотностях токов и кратковременном саморазогреве активной области током до температур 40-245С. При напряжениях U hvmiX/g наблюдается переход от экспоненциального к сверхлинейному росту тока светодиода с напряжением. При этом экспоненциальный рост интенсивности электролюминесценции с напряжением сменяется близким к линейному в области плотностей тока 2.7—270 А/см", а голубой сдвиг спектров электролюминесценции сменяется красным. Замедление роста тока при увеличении напряжения связывается с проблемами инжекции по хвостам плотности состояний в слоях GaN при больших прямых смещениях, вызванными захватом основных носителей заряда. Отставание темпа излучательной рекомбинации от роста тока связывается с уменьшением эффективности туннельной инжекции в флуктуационные хвосты плотности состояний в квантовой яме InGaN/GaN при U hvaa/q. Показано, что при увеличении инжекционного тока при напряжениях U hvmxXklq в результате саморазогрева и повышения температуры гетероструктуры p-GaN/InGaN/n-GaN увеличивается интенсивность безызлучательной рекомбинации, а интенсивность излучательной рекомбинации не растет вплоть до повышения температуры от Т, = 150 до 225 С. При этом рост интенсивности излучательной рекомбинации на глубоко локализованных состояниях хвостов в квантовой яме InGaN/GaN компенсируется уменьшением интенсивности излучательной рекомбинации на слабо локализованных состояниях, заполнение которых уменьшается при повышении температуры. Показано, что повышение температуры при саморазогреве приводит к красному сдвигу длинноволнового крыла спектра электролюминесценции с температурным коэффициентом, соответствующим температурному коэффициенту ширины запрещенной зоны. После облучения протонами с энергией 1 МэВ и дозой 10 см"" эпитаксиальных пленок n-GaN с барьерами Шоттки в DLTS-спектрах образцов наблюдались пять глубоких уровней Ері - Ер5. Энергии активации и сечения захвата электронов на уровни составили "і=0.085 эВ и ОЇ=3.510"19 см"2, "2=0.16 эВ и tf2=3.810-18 см"2, E3=0AS эВ и о-3=3.510"16 см"2, Е4=0.56 эВ и 04=5.310"16 см"2, 5=0.60 ЭВ и 0-5=4.310"17 см"2. Образование уровня, характеризующегося температурной зависимостью скорости термической эмиссии электронов е = 3.5-10" ЬТ ехр(-0.085/кТ), обусловлено радиационным воздействием и зависит от напряжения смещения на барьере Шоттки во время облучения протонами [37].
Энергия ГУ составила 0.141 эВ в р—/—«-структуре на основе GaN и 0.207 эВ в р—/—/г-структуре на основе AlGaN. Эти примесные центры приписываются акцепторным уровням Mg. Величины энергий ионизации акцепторного уровня Mg в GaN и Alo osGao N, полученные из /-DLTS измерений, находятся в хорошем согласии с данными измерений эффекта Холла [38]. Проведен анализ электрических свойств гетероструктур AlGaN/GaN, выращенных методом МЛЭ с использованием аммиака, базирующийся на измерении вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик и спектроскопии глубоких уровней. Обнаружены два типа центров, Е\ и Е?, первые из которых предположительно связаны с точечными дефектами, локализованными вблизи дислокаций, а вторые - собственно с дислокациями. Показано, что плотность центров с глубокими уровнями может достигать значений 101 см"" и приводить к компенсации электронного канала на гетерогранице. Протекание тока в условиях крупных флуктуации потенциала на гетерогранице приводит к возникновению осцилляции тока [39]. полупроводниковым приборам. На основе таких структур создаются различные приборы: высокоэффективные лазерные диоды, оптические усилители, модуляторы светового излучения, приемники инфракрасного излучения, устройства памяти. Принцип действия этих приборов основан на туннельном взаимодействии состояний в КЯ, обладающих разной проводимостью (подвижностью). Согласно [40], происходит создание инверсии населенностей при существовании двух групп носителей тока, сильно отличающиеся по подвижности. При приложении сильного электрического поля средняя кинетическая энергия носителей в группе с большей подвижностью будет значительно выше, чем в группе с низкой подвижностью. Если вероятность перехода носителя из одной группы в другую возрастает с ростом кинетической энергии, то происходит накопление частиц в группе с низкой подвижностью и малой кинетической энергией.
Определение концентрации доноров - Nd
По значению у можно рассчитать концентрацию доноров Nd (в более легированной области)1 при известной концентрации акцепторов Na (в менее легированной области), формула (21). Na - определяется из распределения концентрации основной легирующей примеси, полученной из вольт-фарадной характеристики [27, 28]: 1. Установлен механизм токопереноса по температурным зависимостям ВАХ - туннелирование с участием прыжковой проводимости при наличии 2-х плотностей состояний g(ji) вблизи уровня Ферми, проявляющихся в различных температурных диапазонах. Определен характер изменения основных параметров токопереноса от напряжения и температуры. В зависимости Ea = f(U) два квазипостоянных значения с энергией 0.85 эВ и 0.30 эВ (при более высоких напряжениях Еа уменьшается и соответствует возрастанию g(jx)). Длина прыжка R(U) с ростом U падает при увеличении g(i) и растет при уменьшении. 2. Определена концентрация носителей в более легированной области, используя параметр у (7.55-г8.25) - 4.11-1018-f7.26-1018, CM"J. Концентрация носителей заряда в менее легированной области равна (7+4)40 см" . 3. Концентрационный профиль имеет 4 экстремума (2 максимума и 2 минимума), поэтому в исследуемой структуре не более двух квантовых ям с шириной квантовой ямы меньше 100 А. Исследование спектров электролюминещенции СДна основе GaN В ходе работ по изучению синих сверхъярких светодиодов были проведены спектральные исследования. Измерены зависимости интенсивности свечения от длины волны при комнатной температуре и различных значениях протекающего тока. Для измерений использовалась упрощённая экспериментальная установка ДФС-52, предназначенная для исследования спектров фотолюминесценции, но без возбуждающего лазера. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 38. В таблице 2: I - ток, протекающий через образец, Атах - длина волны, соответствующая максимальному излучению, Jmt - интегральная интенсивность излучения (площадь под графиком J(A)), AL и AR - параметры аппроксимации. Явной зависимости AmnX от тока, протекающего через СД, не выявлено.
А лежит в интервалах 478.9 -482.0 нм, 476.4ч-477.3 нм и 481.2-г482.6 нм для 1, 5 и 10 образцов соответственно. Ширина интервала разброса Ащах 3,1 нм, 0,4 нм и 1,4 нм соответственно для тех же образцов. Однако для синих СД с множественными квантовыми ямами характерен разброс максимума основной полосы излучения равный «8 нм (2,57-г2,67 эВ), а для СД с одиночной квантовой ямой характерно отсутствие смещения Атах от величины протекающего тока [15]. Это подтверждает, что в исследуемых образцах число квантовых ям невелико - всего 2 квантовые ямы. По известным Amax можно определить долевое соотношение In и Ga в активном слое. Для этого предположим, что доминирующая часть электронов излучательно рекомбинирует в активном слое. Согласно [21,30]: Eg(InxGa(1_r)N) = xE (InN) + (1 - x)E (GaN) - Z (TnGaN)x(l - x) (22), где Eg(InN) = 1,9 эВ - ширина запрещённой зоны InN; Eg(GaN) = 3,4 эВ -ширина запрещённой зоны GaN; х - доля содержания In в соединение bi4Ga(i.X)N, (0 х 1); b(InGaN) = 3 эВ - параметр параболического прогиба зависимости Eg(x). Eg(InxGa(i-X)N) связана с Атах соотношением 23: Eg(bxGa(1_x)N) = % (23), где h = 4,14-10" эВ-с (постоянная Планка), с = 3-10 нм/с (скорость света). Основываясь на данные таблицы 2 и формулы (23), а также решив квадратное уравнение (22) с учётом (23) и тем, что 0 х 1, получаем таблицу 3. При Т = 81 К и I = 5-Ю"5 А наблюдается три максимума: 468 нм (Еі = 2.65 эВ), 485 нм (Е2 = 2,56 эВ), 493 нм (Е3 = 2,52 эВ). Максимум электролюминесценции (ЭЛ) с ростом температуры слабо сдвигается в коротковолновую область (из-за эффекта экранирования) и уменьшается по амплитуде (температурное гашение ЭЛ). С увеличением тока при Т = const амплитуда максимумов ЭЛ растет. Результирующий спектр состоит из суммы спектров, имеющих форму распределения Гаусса (27): где АІ, Еь 8І - параметры аппроксимации, характеризующие интенсивность і-го уровня, его энергию, дисперсию (определяющую ширину распределения). С увеличением температуры дисперсия возрастает [56, 57]. Проведено разложение спектра ЭЛ на составляющие, описываемые распределением Гаусса. Разложение проводилось аппроксимацией коротковолнового участка с вычитанием результата аппроксимации из исходного спектра.
Все расчеты осуществлялись в программном пакете Mateinatica 4.1. При разложении спектра выделено три пика ЭЛ, совпадающих с уровнями излучательной рекомбинации в области активного слоя InGaN, представляющего собой КЯ. Все уровни в КЯ подчиняются формуле (28): где а - ширина КЯ, п - номер уровня, ш -масса частицы. Проведя проверку всех возможных переходов ППІ- ПРІ на соответствие получения из разложения спектра значениям, видим, что выявленные пики соответствуют переходам ппі— прз, nni-»nP2, nni-»iipi [58]. Считаем, что излучательная энергия пщ пР{ перехода рассчитывается формулой (29): Щ=Еп Р1=Е,и+Ер1+Е3 (29), где Eg = 2,5 эВ - эффективная ширина запрещенной зоны [57]. I область на рисунке 44 (8.5- 11) 1000ЛС ((91- 116) К) - с увеличением тока в этом диапазоне температур происходит всё более интенсивное температурное гашение ЭЛ. Это можно понять следующим образом: две КЯ разделены узкими барьерами. Как показали наши исследования, высота барьера фЬ1 с увеличением температуры уменьшается в диапазоне температур 30-60С, а ширина его растёт с ростом температуры. Высота второго барьера фЬ2 в указанной области температур остаётся постоянной, а ширина растёт с ростом температуры. Ширина и высота потенциальных барьеров оценивались по методике, описанной в [41]. Носители могут протуннелировать из более легированной области в менее легированную. Такая структура обеспечивает эффективный путь безызлучательного ухода возбуждённых носителей. Это выражено гашением ЭЛ в области II область на рисунке 44 (5-8.5) 1000/К ((116-200) К), в которой с увеличением тока происходит стабилизация интенсивности излучения. Вероятно, в этой области квантово-размерный эффект имеет большее влияние, чем туннелирование. Он не только изменяет энергии возбуждений, но также модулирует их плотности состояний [59]. III область на рисунке 44 (3.5-5) 1000ЯС ((200-266.7)К), в которой с увеличением тока гашение ЭЛ уменьшается. Вероятно, в этой области уход носителей с увеличением напряжения возмещается процессами термической генерации.
Коэффициент полезного действия (КПД) СД
Каждый ватт мощности радиации при Л = 0.555 мкм воспринимается как световой поток 625 лм. Это световой эквивалент мощности излучения. Для остальных длин волн этот эквивалент получается умножением 625 лм/Вт на соответствующий коэффициент видности в относительных единицах. С учетом (37) выражение для внешнего квантового выхода принимает вид: где J(E) - спектр излучения СД (рис. 49); /Е - энергетическая зависимость функции видности, причем \j(E)dE = \, Ei и Ег - минимальное и максимальное значение энергии излучаемых фотонов, измеряемые в электрон-вольтах. Для исключения потерь измерения проводились "встык": СД располагался вплотную к приемнику излучения, то есть Q = 2% [63, 64]. Типичные зависимости IfP(U), EfP(U) и I(U) представлены на примере образца № 5 - рисунок 51. Здесь IfP(U) - зависимость тока фотоприёмника от напряжения на образце; EfP(U) - зависимость фото-ЭДС фотоприёмника от напряжения на светодиоде; I(U) - ВАХ светодиода. Полагаем, что световой поток излучения светодиода пропорционален фототоку через фотоприёмник. Из рисунка 51 видно, что исследуемые СД начинают излучать при приложенном прямом напряжении около 2.3 В. Это напряжение соответствует максимуму энергии термической активации тока (рисунок 3 5) и минимуму дифференциального показателя наклона ВАХ - р. Согласно [23], это характерное напряжение соответствует точке перехода от туннельного механизма токопереноса и излучения к ижекции в активный слой. Образец № 10 имеет более широкую область изменения наклона зависимости тока фотоприёмника от тока, протекающего через исследуемый светодиод, построенной в двойном логарифмическом масштабе - 1=(2-г5)-10" А. Это вновь подтверждает некую технологическую особенность десятого образца. Уменьшение показателя степени с увеличением тока, протекающего через СД (формулы 39 и 39 ), свидетельствует об уменьшении доли носителей заряда, рекомбинировавших излучательно, в общем числе носителей, участвующих в электрическом токе. Можно предположить, что это происходит из-за того, что напряжённость электрического поля принимает значение, достаточное для того, чтобы всё большее число носителей заряда инжектировали через p-n-переход, «проскакивая» квантовую яму (активный слой), где и происходит излучательная рекомбинация.
Для измерения ампер-яркостных характеристик (АЯХ) в широком токовом диапазоне в качестве приемника излучения использовался кремниевый фотодиод ФД-256К. Это было вызвано недостаточной чувствительностью люксметра/яркометра «ТКА-ПК» для измерения светового потока при малых токах, протекающих через СД. На графике зависимости фототока от тока, протекающего через образец (рисунок 53), наблюдается уменьшение темпа роста интенсивности излучения образца при увеличении тока. Это обусловлено последовательным сопротивлением компенсированного слоя - увеличением доли напряжения, падающего на компенсированном слое, что приводит к ограничению инжекции носителей заряда и уменьшению наклона на АЯХ. Однако фототок приемника излучения лишь пропорционален потоку энергии излучения, так как чувствительность ФД-256К не равна 100% и имеет спектральное распределение. Коэффициент пропорциональности рассчитывается из соотношения фототока и потока энергии, полученного из значения яркости (таблица 4) при одном и том же значении тока, протекающего через образец. На рисунке 54 приведен график зависимости мощности излучения СД от протекающего через него тока, полученный пересчетом из ампер-яркостной характеристики [64]. Дальнейшее увеличение тока привело к снижению эффективности излучения СД. Уменьшение темпа роста интенсивности излучения образца при увеличении тока связано с увеличением доли напряжения, падающего на компенсирующем слое, что приводит к ограничению инжекции носителей заряда. Эта же причина способствует уменьшению квантового выхода, которому сопутствует и смена механизма токопереноса. Необходимо отметить источники погрешности, влияющие на значение квантового выхода: - не учитывалось отражение излучения от поверхности фотоприемника; - мощность излучения измерялась косвенным путем и предполагалась ее пропорциональность току фотоприемника, что не в полной мере учитывает нелинейный характер спектральной чувствительности фотоприемника.
Однако это предположение допустимо, так как измеряется интегральная мощность излучения. 1. Для СД KPT-1608PBC(SMD) оценено долевое содержание In в активном слое- InGaN: около 21%. 2. Спектры электролюминесценции имеют несколько пиков, которые при комнатной температуре сливаются в единый пик. Однако при понижении температуры и повышении тока эти пики разделяются. 3. Зависимость излучённого светового потока от протекающего через образец тока описывается степенной зависимостью - Ф Iа. Причём показатель степени п принимает как значения п 1, так и, с ростом тока, меньше 1 ( 1), что говорит о снижении доли носителей заряда, рекомбинирующих излучательно. Это связано с увеличением напряжённости электрического поля в р-п-переходе, в результате чего всё большее число носителей заряда инжектируют через p-n-переход, не попадая в квантовую яму (активный слой), в которой происходит излучательная рекомбинация. Установлена связь эффективности излучения СД с природой механизма формирования тока, которая, в свою очередь, может указывать на возможные источники повышения эффективности излучения СД. ТСЕ является одним из методов исследования глубоких центров в ОПЗ р-п-переходов. Измерение термостимулированной ёмкости обычно проводят следующим образом. При комнатной температуре к образцу прикладывают напряжение прямого смещения, величина которого должна превышать значение диффузионного потенциала. Оставляя напряжение постоянным, образец охлаждают до температуры жидкого азота, меняют полярность напряжения на обратную и нагревают с постоянной скоростью [54]. Схема установки для проведения термостимулированного эксперимента представлена на рисунке 56.
