Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оптимизация активной области светодиодной гетероструктуры на основе АHnСaN 16
1.1. Проблема падения внешней квантовой эффективности с ростом тока накачки и предлагаемые методы решения (обзор) 16
1.2. Неоднородность инжекции носителей в активную область в стандартной гетероструктуре. Гетероструктуры с короткопериодной сверхрешёткой в активной области 23
1.3. Моделирование электрооптических свойств гетероструктур с короткопериодной сверхрешёткой в активной области 34
1.4. Экспериментальное исследование гетероструктур с короткопериодной сверхрешёткой в активной области. Сопоставление с результатами моделирования 37
1.5. Особенности температурных зависимостей эффективности и спектральных характеристик электролюминесценции светодиодных гетероструктур на основе АHnСaN 43
Глава 2. Создание рассеивающих свет неоднородностей на границе СаН-сапфир для преодоления эффекта полного внутреннего отражения света и увеличения внешней квантовой эффективности светодиодов 48
2.1. Способы создания рассеивающих интерфейсов на границах светодиодной гетероструктуры для увеличения коэффициента вывода света (обзор] 48
2.2. Формирование пористого слоя на границе СaN-АЬОз на стадии роста низкотемпературного зародышевого слоя 52
2.3. Экспериментальное подтверждение повышения эффективности в светодиодных гетероструктурах, выращенных на сапфировой подложке с формированием пористого слоя на границе GaN АI2O3 67
Глава 3. Повышение эффективности вывода света из кристаллов светодиодов на стадии формирования контактов, исследование свойств прозрачных проводящих плёнок ITO 70
3.1. Сравнение существующих конструкций мощных эффективных светодиодных кристаллов (обзор] 70
3.2. Разработка технологии создания прозрачного проводящего контакта к р-поверхности светодиодных кристаллов, в которых вывод света осуществляется через прозрачный контакт 74
3.3. Способы создания контактов с высоким коэффициентом отражения к р-поверхности светодиодных кристаллов мезапланарной конструкции, в которых вывод света осуществляется через прозрачную подложку 85
Заключение 92
Публикации автора по теме диссертации 94
Список литературы 97
- Неоднородность инжекции носителей в активную область в стандартной гетероструктуре. Гетероструктуры с короткопериодной сверхрешёткой в активной области
- Формирование пористого слоя на границе СaN-АЬОз на стадии роста низкотемпературного зародышевого слоя
- Разработка технологии создания прозрачного проводящего контакта к р-поверхности светодиодных кристаллов, в которых вывод света осуществляется через прозрачный контакт
- Способы создания контактов с высоким коэффициентом отражения к р-поверхности светодиодных кристаллов мезапланарной конструкции, в которых вывод света осуществляется через прозрачную подложку
Введение к работе
Актуальность темы
В последние годы достигнут значительный прогресс в технологии эпитаксиального выращивания гетероструктур AlInGaN. Это привело к созданию эффективных светодиодов, работающих в видимой, синей и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Такие светодиоды находят всё более широкое применение в системах индикации, подсветки, навигации и т.д. Однако, наиболее важная область применения - создание на основе синих светодиодов AlGalnN источников белого света, способных составить конкуренцию традиционным лампам накаливания, флуоресцентным и галогеновым лампам. Прогресс в данной области связан с разработкой эффективных мощных светодиодов, работающих при высоких плотностях токов накачки. Однако, на сегодняшний день эффективность мощных светодиодов на основе AlInGaN ограничена падением внутреннего квантового выхода электролюминесценции с ростом плотности тока накачки и низкой эффективностью вывода света из светодиодных кристаллов.
В гетероструктурах AlInGaN падение внутреннего квантового выхода с током приводит к уменьшению мощности излучения светодиодов, что особенно заметно при плотностях тока накачки в диапазоне 50-100 А/см . Таким образом, актуальной является задача исследования процессов генерации света в гетероструктурах AlInGaN и выявление причин падения внутреннего квантового выхода, препятствующего дальнейшему увеличению мощности излучения.
В светодиодах на основе гетероструктур AlInGaN, выращиваемых, как правило, на подложках из сапфира, эффективность вывода излучения ограничена эффектом полного внутреннего отражения генерируемого света на границах полупроводника с воздухом и с подложкой и поглощением излучения в отражающих или полупрозрачных контактах. Сильнее всего эти ограничения проявляются в кристаллах светодиодов AlInGaN большой
мощности и, соответственно, большой площади, что ставит решение проблемы вывода излучения в ряд наиболее актуальных задач. Повышение эффективности вывода генерируемого излучения может достигаться путём создания отражающих контактов и формирования оптических неоднородностей в структуре прибора, в частности, рассеивающего свет микрорельефа на одной из поверхностей эпитаксиальной гетероструктуры.
В целом, актуальными являются задачи разработки и оптимизации конструкций и технологии изготовления светодиодных гетероструктур AlInGaN, а также светодиодных кристаллов на их основе, направленные на достижение высоких значений эффективности и мощности излучения свето диодов.
Цель работы
Исследование процессов генерации и вывода света в светодиодных гетероструктурах AlInGaN, повышение внутренней и внешней квантовой эффективности свето диодов (спектральный диапазон 430-470 нм) при больших плотностях токов накачки (до 100A/cmz). Для достижения поставленной цели потребовалось решить ряд задач:
- Выявить причины падения внутренней квантовой эффективности излучения
в светодиодных гетероструктурах AlInGaN и предложить пути повышения
квантовой эффективности при больших плотностях токов накачки.
Разработать технологию формирования оптических неоднородностей в структуре светодиодного кристалла AlInGaN, обеспечивающих эффективное рассеяние генерируемого света и увеличение эффективности вывода излучения из светодиодного кристалла.
Разработать методы формирования низкоомных прозрачных и отражающих контактов к слою p-GaN, позволяющие снизить оптические потери при выводе излучения из кристалла.
Научная новизна работы состоит в следующем
Впервые предложено использование короткопериодных сверхрешёток GaN/InxGai_xN с туннельно-связанными квантовыми ямами в активной области светодиодной гетероструктуры AlInGaN для снижения темпа безызлучательной оже-рекомбинации, что позволило уменьшить падение внутренней квантовой эффективности с ростом плотности тока накачки.
Впервые показано, что в результате подавления эффекта Штарка в светодиодных гетероструктурах AlInGaN с короткопериодными сверхрешётками в активной области спектральное положение максимума излучения слабо зависит от плотности тока накачки.
Впервые экспериментально продемонстрировано, что наличие пористого слоя на границе GaN-сапфир приводит к существенному повышению внешней квантовой эффективности светодиодного кристалла на основе гетероструктуры AlInGaN.
Показано, что использование слоя оксида индия-олова (ITO) в составе низкоомных прозрачного и высокотражающего р-контактов позволяет существенно уменьшить оптические потери при выводе излучения из светодиодного кристалла.
Практическая ценность работы
- Разработана технология выращивания методом металлорганической
газофазной эпитаксии гетероструктур AlInGaN с короткопериодной
сверхрешёткой в активной области, позволяющая увеличить внутренний
квантовый выход и мощность излучения светодиодов при высоких
плотностях токов накачки, а также повысить стабильность спектральных
характеристик излучения.
- Разработан способ формирования рассеивающего пористого слоя на границе GaN-сапфир в процессе выращивания светодиодной гетероструктуры AlInGaN
методом металлорганической газофазной эпитаксии, применение которого позволяет существенно увеличить эффективность вывода света из светодиодного кристалла.
Разработана технология получения низкоомных прозрачного и высокоотражающего контактов к p-GaN, что позволяет повысить эффективность вывода света из светодиодного кристалла.
Разработанные технологии и способы успешно применяются в условиях серийного производства синих и белых светодиодов на основе гетероструктур AlGalnN в ЗАО «ЭПИЦЕНТР» и ЗАО «ИФ «ТЕТИС» (г. Санкт-Петербург).
Научные положения, выносимые на защиту:
Применение короткопериодных сверхрешёток GaN/InxGai_xN с туннельно связанными квантовыми ямами в активной области светодиодной гетероструктуры AlInGaN позволяет в 2.5 раза уменьшить величину падения квантовой эффективности при плотности тока 100 А/см .
Применение короткопериодных сверхрешёток GaN/InxGai-xN с туннельно связанными квантовыми ямами в активной области светодиодной гетероструктуры AlInGaN приводит к стабилизации спектрального положения максимума полосы излучения в широком диапазоне плотностей токов накачки.
Увеличение толщины низкотемпературного буферного слоя GaN и длительности последующего высокотемпературного отжига приводит к формированию на границе GaN-сапфир пор толщиной порядка 100 нм и размерами 300-1000 нм в плоскости слоя. Наличие таких пор обеспечивает рассеяние генерируемого излучения, что приводит к повышению эффективности вывода света из светодиодного кристалла на 20%.
Применение прозрачных р-контактов на основе плёнок ITO для светодиодных кристаллов мезапланарной конструкции обеспечивает увеличение внешнего квантового выхода в 2.5 раза по сравнению с кристаллами с полупрозрачными металлическими контактами.
Применение высокоотражающих р-контактов на основе плёнок ITO/Ag в светодиодных кристаллах мезапланарной конструкции приводит к увеличению внешней квантовой эффективности на 20% по сравнению с кристаллами с р-контактом на основе плёнок Ni/Ag
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на IX Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (СПб, 2007); «Международной зимней школе по физике полупроводников» (Зеленогорск, 2008); 5-й, 6-й, 7-й, 8-й Всероссийских конференциях «Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы» (М., 2007,2010;СПб, 2008,2011), международных конференциях 8th и 9th International Conferences on Nitride Semiconductors (Jeju Island, Korea 2009; SECC, Glasgow 2011), международной конференции 3rd International Symposium on Growth of Ill-Nitrides (Montpellier, 2010), международной конференции International Workshop on Nitrides (Florida,USA, 2010)
Публикации По результатам исследований, вошедших в диссертационную работу, опубликовано 17 научных работ, список которых приведён в конце автореферата.
Личный вклад автора заключается в выращивании светодиодных гетероструктур методом металлорганической газофазной эпитаксии, проведении измерений, обсуждении результатов, подготовке статей к публикации.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитированной литературы. Диссертация содержит 103 страницы текста, включая 47 рисунков и 4 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 82 наименования.
Неоднородность инжекции носителей в активную область в стандартной гетероструктуре. Гетероструктуры с короткопериодной сверхрешёткой в активной области
В качестве основы для оптимизации была взята стандартная конструкция многоямной гетероструктуры, используемая в большинстве коммерческих светодиодных гетероструктур (см. рис. 1.5). Слой п-GaN, толщиной 4,5 им, обеспечивающий латеральное растекание тока по гетероструктуре выращивается поверх нелегированного GaN-слоя (во второй главе диссертации подробно рассматриваются расположение и процесс выращивания буферных слоев нелегированного GaN). Перед активной областью выращивается п-легированная буферная сверхрешётка InxGai_xN/GaN, снижающая механические напряжения в светодиодной гетероструктуре. Нелегированная активная область стандартной гетероструктуры содержит несколько квантовых ям Irio.12Gao.88N толщиной 3 им, разделённых барьерами GaN толщиной 8 нм. Между активной областью и р-ОaN выращивается два слоя Alo.01Gao.99N, разделённые слоем ОaN, препятствующие миграции магния в активную область. Верхний слой р-легированного ОaN имеет толщину 1 ООнм
Данная конструкция светодиодной гетероструктуры обеспечивает высокий уровень эффективности -35-40% при малых токах накачки, однако при плотностях токов порядка 10ОА/см наблюдается падение эффективности. Предполагая, что именно конкуренция излучательной и оже-рекомбинации приводит к падению эффективности, следует ожидать, что увеличение количества квантовых ям в активной области позволит снизить плотность носителей заряда и увеличить эффективность излучательной рекомбинации при рабочих плотностях тока.
Однако, проделанные нами [АН] эксперименты по варьированию количества и толщин слоев буферной сверхрешётки, активной области и р-легированного слоя позволили сделать следующие выводы:
1) Включение в гетероструктуру буферной сверхрешётки позволяет существенно повысить структурное совершенство слоев активной области и увеличить эффективность прибора.
2) Увеличение количества квантовых ям InxGaj.xN в активной области до пяти повышает эффективность электролюминесценции, однако не влияет на характер её спада с ростом тока накачки
3) Дальнейшее увеличение количества количества квантовых ям InxGaj.xN не даёт существенных изменений в эффективности.
4) Оптимальная толщина р-слоя гетероструктуры составляет 100нм. Увеличение и уменьшение толщины р-слоя приводит к снижению эффективности.
Для исследования работы стандартной светодиодной гетероструктуры и поиска путей дальнейшей оптимизации было применено численное моделирование. Использовалась одномерная диффузионно-дрейфовая модель транспорта носителей в гетероструктуре. Модель учитывает пиро- и пьезоэлектрические поля возникающие вследствие рассогласования параметров решётки слоев структуры, а также излучательную и безызлучательную рекомбинацию Шокли-Рида-Холла и Оже-рекомбинацию. Численная модель представляет собой систему конечно-разностных уравнений для неизвестных профилей концентраций носителей заряда и электрического потенциала. Электроны и дырки описываются статистикой Ферми-Дирака. Концентрации носителей " и Р связаны с потенциалом , электронным и дырочным квазиуровнями Ферми " and р , положением дна зоны проводимости , и потолка валентной зоны " уравнениями
Здесь, =2 и =4 - факторы вырождения, и Е энергии активации доноров и акцепторов, соответственно.
Для описания туннельного транспорта носителей через тонкие барьеры используется модель квантового потенциала. В рамках данной модели профили краёв зон, определяемые в простой модели как Ec 4V и Er-q p видоизменяются за счёт квантовых потенциалов, учитывающих ненулевую плотность вероятности нахождения носителей в классически запрещённых областях.
Численные расчёты проводились в коммерческом продукте SimuLED производства ООО Труппа СТР" - О00 "Софт-Импакт", (www.str-soft.com/products/SimuLED). Данный продукт реализует методы решения систем уравнений описанной модели и позволяет рассчитывать распределение концентраций носителей в гетероструктуре, распределение электрического поля и плотностей токов, внутренний квантовый выход электролюминесценции при заданном напряжении.
Формирование пористого слоя на границе СaN-АЬОз на стадии роста низкотемпературного зародышевого слоя
Поскольку GaN и сапфир имеют значительную разницу постоянных решётки, для выращивания относительно низкодефектных слоев GaN на сапфировых подложках применяется методика выращивания буферного слоя. При выращивании GaN непосредственно на сапфире удаётся получить только поликристаллические плёнки. Применение буферного слоя A1N, осаждённого при низкой температуре перед высокотемпературным эпитаксиальным ростом в МО ГФЭ GaN, позволило группе И.Акасаки в 1985 году впервые получить относительно совершенные слои GaN и AlGaN [34] методом МО ГФЭ. На рис. 2.3 представлена предложенная И.Акасаки модель развития процесса эпитаксиального роста GaN с применением низкотемпературного буферного слоя.
Согласно этой модели, применение низкотемпературного буферного слоя обеспечивает однородное и плотное зародышеобразование в начале высокотемпературного эпитаксиального роста GaN, а также способствует более интенсивному разрастанию зародышей в плоскости подложки. Впоследствии были предложены другие типы буферных слоев для эпитаксии GaN на сапфире: низкотемпературный буферный слой GaN [35] и двухслойный низкотемпературный буферный слой GaN/AIN [36, 37]. Разные исследовательские группы сообщают сильно различающиеся режимы осаждения низкотемпературного буфера, позволяющие получить эпитаксиальные слои GaN соизмеримо высокого качества. Такое различие позволяет сделать вывод о сильной зависимости оптимальных режимов осаждения от особенностей конструкции различных эпитаксиальных установок.
Эпитаксиальные слои выращивались на подложках синтетического сапфира (0001) диаметром 50.8 мм (2 дюйма) производства ОАО "Монокристалл".
Для выращивания стандартных гетероструктур нами применялась методика низкотемпературного буферного GaN слоя. Сапфировая подложка нагревается в атмосфере водорода до температуры 1015С, при которой происходит отжиг поверхности в течении 15 минут. Далее, при температуре 530С в течении 3 минут в атмосфере аммиака производится нитридация поверхности и выращивается слой аморфного ОаК толщиной 30 нм. После этого подача металлорганических соединений (триметилгаллия) в камеру прекращается и подложка в течении 6 минут в атмосфере водорода и аммиака разогревается до температуры 1100С. Выращенный слой подвергается отжигу в водородно-аммиачной атмосфере при температуре 1100С в течение 3 минут. При этом происходит кристаллизация материала аморфного слоя GaN с образованием кристаллических зародышей размером в несколько десятков нанометров. Полученные зародыши сращиваются в режиме двумерного роста при температуре 1050С.
После планаризации поверхности выращивались легированные кремнием на уровне N(Si)=10,8cm"3 слои n-GaN толщиной 3.5 мкм. В дальнейшем такие пластины могут быть использованы в качестве подложек (templates) для светодиодных гетероструктур.
Па рис. 2.4 представлены кривые отражения и графики зависимости температуры пластины, полученные в стандартном процессе на начальных стадиях процесса выращивания эпитаксиальных гетероструктур. Коэффициент отражения измерялся для излучения длиной волны 930 нм. Температура оценивалась по данным о тепловом излучении через пластину с учётом коэффициента отражения, измеренного рефлектометром. Основные этапы ростового процесса также указаны на рисунке. На этапе нанесения низкотемпературного аморфного буферного слоя GaN наблюдается возрастание коэффициента отражения вследствие образования второй отражающей поверхности. На этапе отжига нанесённый материал агрегируется в зародыши, при этом отражение падает. Далее, на стадии трёхмерного разращивания, характерный размер зародышей растёт, и отражение падает практически до нуля. После сращивания зародышей возникает вторая отражающая поверхность, которая по мере планаризации выполаживается, при этом средний уровень отражающей способности растёт.
Большое значение амплитуды модуляции отражающей способности свидетельствует об отсутствии рассеяния на границе нитрид - сапфир.
Для создания рассеивающей поверхности нами была предложена модификация метода низкотемпературного зародышевого слоя. На начальном этапе работы было показано, что увеличение толщины исходного зародышевого слоя, времени последующего высокотемпературного отжига и разращивания зародышей позволяет существенно снизить амплитуду интерференционной составляющей в зависимости отражения от времени при последующем двумерном росте. Такое подавление интерференции света, отражённого от двух границ эпитаксиального слоя может свидетельствовать о рассеянии падающего излучения на границе нитрид-сапфир. На рис. 2.5 приведены кривые отражения пластины, полученные в процессе роста пластин с увеличенной толщиной низкотемпературного зародышевого слоя.
Изображения РЭМ поверхности пластин, полученные на различных этапах процесса эпитаксиального роста приведены на рис. 2.6 - рис. 2.9. Видно, что как и в случае для пластин, выращенных в стандартном процессе после высокотемпературного отжига, образуются зародыши с характерным линейным размером около 0.1 мкм. Поверх более мелких образуются более крупные зародыши, размером 1 мкм и более. При этом области под ними содержат поры размером 100-300 нм, что соответствует длине волны излучения светодиода в материале гетероструктуры (рис. 2.10).
На последующих стадиях разращиваиия зародышей в двумерном режиме происходит сращивание крупных зародышей в плоскую поверхность, при этом сформированные поры не заполняются GaN, поскольку остаются экранированными б олее крупными зародышами. Изображения РЭМ скола выращенных эпитаксиальных слоев, приведённые на рис. 2.11, демонстрируют наличие пор с характерным размером 0.2-1 мкм в латеральном направлении и 0.1-0.2 мкм в нормальном направлении на границе нитрид-сапфир, что соответствует длине волны излучения в ОaN.
Разработка технологии создания прозрачного проводящего контакта к р-поверхности светодиодных кристаллов, в которых вывод света осуществляется через прозрачный контакт
Как было отмечено выше, в светодиодных кристаллах мезапланарной конструкции с выводом света через р-контакт существенным фактором, ограничивающим эффективность светодиода, является поглощение излучения в р-контакте. Кроме того, неоднородность растекания тока может также приводить к снижению эффективности кристалла за счёт падения эффективности с ростом плотности тока накачки. Из-за низкой латеральной проводимости слоя р-GaN однородность распределения тока определяется исключительно растеканием в материале р-контакта. Таким образом, р контакт в представленной конструкции должен удовлетворять двум требованиям: с одной стороны обладать по возможности близким к единице коэффициентом пропускания, с другой стороны обладать относительно низким сопротивлением. Ранее в качестве основы для полупрозрачных контактов использовались двуслойные плёнки Ni/Au 4/4 нм. Слой N1 обеспечивает хорошую адгезию контакта и невысокое контактное сопротивление, слой золота за счёт меньшего удельного сопротивления обеспечивает однородное латеральное растекание тока и предохраняет никель от окисления. Увеличение относительной толщины слоя золота приводит к увеличению поглощения в плёнке, увеличение относительной толщины слоя никеля приводит к потере однородности растекания тока.
Общая толщина контакта определялась из наилучшего соотношения поглощения в контакте и необходимости обеспечения однородного растекания тока по р-контакту. Используемая конструкция кристалла приведена на рис. 3.2. Плёнка Мх/Au наносится на всей поверхности р-контакта. Дополнительно поверх р-контакта напылением через фотолитографическую маску формируются токопроводящие шины и контактная площадка.
Была исследована возможность замены плёнки Ni/Au на плёнку ITO в качестве основы для прозрачного проводящего контакта, обладающего сопоставимой поверхностной проводимостью и значительно более высокой пропускающей способностью. Для сравнения прозрачности исследуемые плёнки Ni/Au (4нм/4нм) и ITO (200 нм) наносились на покровные стёкла толщиной 0.17 мм. Металлы и плёнки ITO наносились методом электроннолучевого испарения. Коэффициент пропускания образцов в диапазоне длин волн 400-800 нм исследовался на спектрорадиометре OL 770 производства фирмы Optronic Laboratories с использованием интегральной сферы. Излучение падало на образец со стороны плёнки, нормально к его поверхности, после чего, регистрировалось приёмником в интегральной сфере.
На первом этапе было продемонстрировано, что исходные плёнки Ni/Au не позволяют одновременно обеспечить высокий коэффициент пропускания и низкое поверхностное сопротивление. На рис. 3.3 представлены спектры пропускания плёнок №(8нм), №/Аи(4нм/4нм), нанесённых в стандартном процессе на покровное стекло.
Оптимизация процесса получения прозрачных и проводящих слоев ITO отрабатывалась на плёнках толщиной 200 нм, т.к. применение плёнок с меньшей толщиной не обеспечивало приемлемого растекания тока по площади р-контакта вследствие более низкой удельной проводимости материала ITO. Напыление на холодную подложку приводило к получению плёнок малой прозрачности (кривая 3 на рис. 3.3), увеличить которую наиболее эффективно можно было последующим отжигом. В большинстве работ для повышения прозрачности плёнок, полученных различными методами, проводился их дополнительный отжиг, однако, его оптимальные условия (температура, атмосфера, продолжительность) различны в разных источниках. Для оценки влияния температуры отжига на прозрачность плёнок покровные стекла с нанесённым на них слоем ITO подвергались отжигу как в вакууме с остаточным давлением 0.5 Па, так и при атмосферном давлении, на воздухе.
Согласно результатам эксперимента, приведённым в таблице 3.1, с ростом температуры коэффициент пропускания плёнок существенно возрастает, при этом плёнки, отожжённые в вакууме, проигрывают в прозрачности отожжённым на воздухе.
Известно, что на прозрачность плёнок может влиять как число центров поглощения (например, кислородных вакансий), так и размер зёрен (кристаллитов) плёнок [49, 50, 51, 52]. С целью проверки влияния температуры отжига на структуру получаемых плёнок проводился их рентгенофазовый анализ. Результаты показали, что исходные плёнки являются аморфными, в то время как рентгенограмма отожжённых образцов обнаруживала их кристаллическое строение (рис. 3.4)
При этом размер кристаллитов увеличивается с увеличением температуры отжига и давления в камере. Так, оценочное значение размера кристаллитов образцов, отожжённых при давлении 0.5 Па и температуре 300С, составляет 7 нм (рис. 3.5, а), а при атмосферном давлении и 450С - 14 нм (рис. 3.5, Ь).
Таким образом, отжиг приводит к кристаллизации плёнок и росту размеров кристаллитов с повышением температуры отжига. В то же время наибольшая прозрачность достигается напылением на горячую подложку с последующим напуском газов до атмосферного давления в одном процессе, сразу по завершению напыления.
Эксперименты выполнялись при температурах 350С и 450С с использованием азота или смеси газов аргона (50%) с кислородом (50%). Влияние состава газа оказалось незначительным, в то время как увеличение температуры приводило к лучшим результатам. На рис. 3.6 приведены кривые зависимости коэффициента пропускания света от длины волны излучения для образцов с различными режимами нанесения плёнок.
Способы создания контактов с высоким коэффициентом отражения к р-поверхности светодиодных кристаллов мезапланарной конструкции, в которых вывод света осуществляется через прозрачную подложку
Ранее для мощных флип-чип светодиодов нами был разработан отражающий контакт к слою р-GaN на основе комбинации металлов Ni/Ag, обладающей высоким коэффициентом отражения в сине-фиолетовой области спектра [26]. Отражающий -контакт должен одновременно обеспечивать низкое удельное контактное сопротивление и обладать высоким коэффициентом отражения. Эти два требования могут быть выполнены при применении р-контакта на основе двухслойной комбинации металлов, в которой нижний тонкий ( 5 нм) слой металла создаёт омический контакт ср-GaN, а верхний более толстый ( 200нм) слой обеспечивает высокий коэффициент отражения выводимого света. В качестве контактного подслоя использовался N1 толщиной 1.5 нм, а слой Ag толщиной 220 нм, обладающий высокой отражательной способностью в сине-фиолетовом диапазоне длин волн, применялся в качестве отражающего слоя.
Однако, как было показано выше (рис. 3.3) даже тонкие слои N1 могут приводить к снижению внешнего квантового выхода светодиодных кристаллов за счёт поглощения. Было предложено заменить подслой N1 тонким подслоем ITO для повышения коэффициента отражения контакта.
Для изготовления светоизлучающих кристаллов с отражающими контактами на основе слоя ITO использовались гетероструктуры AlGalnN/GaN, аналогичные описанным в части 3.2. Как видно из сказанного выше, для получения плёнок необходимой прозрачности требуется нагрев образцов в области температур выше 300С. Поэтому была изготовлена опытная партия светоизлучающих кристаллов с р-контактом, полученным по следующей технологии: наносились плёнки ITO различной толщины, отжигались в атмосфере воздуха и после закрывались серебром в вакууме для получения отражающего контакта. Однако, эксперименты показали, что поведение контактов, полученных описанным выше образом, не стабильно, и квантовый выход светодиодных кристаллов быстро уменьшается во времени при приложении токовой нагрузки.
Попытки отжига готовой комбинации ITO/А также не дали положительного результата из-за сильной деградации коэффициента отражения контактов в процессе нагрева.
Исходя из результатов, представленных выше, был выбран вариант напыления плёнки ITO на нагретую подложку с последующим нанесением слоя серебра в одном процессе. Температура подложки во время напыления стабилизировалась на значении 350С. Для оценки отражательной способности получаемых таким образом контактов и определения оптимальных толщин слоев на покровные стекла толщиной 0.17 мм наносились плёнки ITO различной толщины: 2, 5, 10 и 70 нм, которые сверху закрывались слоем серебра толщиной 220 нм. Отражательная способность покрытий определялась путём сравнения с отражением от тестового образца, представляющего собой слой серебра толщиной 220 нм, нанесённый непосредственно на стекло. Излучение синего светодиода с длиной волны 470 нм фокусировалось на образце и после отражения от него регистрировалось фотоприёмником. Результаты экспериментов сравнивались с отражением от комбинации металлов, используемой нами для изготовления отражающего контакта к слою р-GaN : 1.5 нм никеля и 220 нм серебра. Результаты приведены в табл. 3.2. Было установлено что отражательная способность контакта М(1.5нм)/А(220нм) сравнима по отражательной способности с комбинацией 1ТО(10нм)М(220нм).
Таким образом, используя контакты с меньшими толщинами пленок ITO, можно получить выигрыш в отражении и, соответственно, увеличить внешнюю квантовую эффективность светодиода.
Для изготовления отражающих контактов нами была выбрана комбинация IТО(5нм)/Аё(220 нм). Изготавливались светодиодные кристаллы, площадью 350 х 470 мкм , со следующими отражающими р-контактами: 1ТО(5нм)/Аё(220нм) и №(1.5нм)/Аё(220нм). В качестве п-контакта использовалась комбинация металлов Ti/Ag.
Контактные сопротивления напыляемых слоев к материалу p-GaN определялись следующим способом. Обычно для исследования электрических характеристик контактов применяется методика TLM (Transmission Line Method), заключающаяся в том, что на поверхности полупроводника изготавливается последовательность одинаковых контактных площадок с изменяющейся шириной зазора между ними.
Однако, малая толщина слоя p-GaN ( 0.2-0.5 мкм) не обеспечивает достаточной латеральной проводимости, и методика TLM не позволяет определить контактное сопротивление р-контактов. Поэтому оно рассчитывалось исходя из полного дифференциального сопротивления светодиодного кристалла. Для этого использовалась разработанная численная модель, [77] основанная на вычислении потенциалов и токов в трёхмерной сетке сопротивлений путём решения системы линейных уравнений Кирхгоффа. В модели структура светодиода представлялась в виде трёхмерной прямоугольной сетки. В сетку включались сопротивления трёх типов, соответствующие удельному объёмному сопротивлению материала n-GaN и удельным контактным сопротивлениям п- и р-контактов.
В модель не вводилось сопротивление р-слоя, а также вольт-амперная характеристика (ВАХ) самого р-п перехода, поскольку в режиме работы на больших плотностях тока (когда р-п переход полностью спрямлён), он не вносит заметного вклада в общее дифференциальное сопротивление светодиода. Для расчёта контактного сопротивления р-контактов измерялось полное дифференциальное сопротивление светодиодных кристаллов; методом ТЬМ определялось удельное сопротивление слоя п-GaN и сопротивление контактов к нему. Контактное сопротивление р-контактов подбиралось таким образом, чтобы расчётное значение полного дифференциального сопротивления светодиода равнялось измеренному.
Сравнение оптических и электрических характеристик изготовленных кристаллов проводились до разделения пластины на отдельные чипы. На рис. 3.9 приведены зависимости внешней квантовой эффективности кристаллов от тока накачки.
