Введение к работе
Актуальность темы.
За последнее десятилетие произошёл прорыв в исследованиях и производстве китридных многокомпонентных гетсроструктур (МКГ), а также приборов на их основе. Обширный диапазон изменения ширины запрещённой зоны (1,95-6,3 эВ), сильные связи взаимодействия и высокая теплопроводность соединений III-й группы, таких как GaN, I»N, A1N и их твёрдых растворов InxGai-xN и AlyGai.jN, делают их особенно интересными для применения в оптоэлектронных приборах, высокомощной и высокочастотной электронике [1-6]. Яркими представителями оптоэлектронных полупроводниковых приборов являются излучающие яиоды (ИД).
Долгое время сложности в получении качественных эпитаксиальньгх слоев GaN и его твердых растворов AlyInxGai.,.yN р-типа не позволяли создавать евстоюлучающие диоды с высокими электрическими и светотехническими параметрами. В период 1985-1992 г.г. И. Акасаки (I. Akasaki), X. Амано (II. Ашапо) и С. Накамура (Sh. Nakamura) с соавюрами разработали техно-лоппо газофазной этггаксии из металло-органических соединений (МОС-гидридная технолопія) AlGalnN МКГ, содержащие слои р- и п-типа заданного состава, в том числе с одиночными (ОКЯ) или множественными (МКЯ) квантово-размерными ямами [4].
Многочисленные работы по совершенствованию МОС-гидридной технологии привели к созданию конструкций и массовому производству диодов, излучающих в видимой (СИД) и ультрафиолетовой (УФИД) областях спектра.
Количество областей применения СИД неуклонно расширяется. Сегодня методы производства полупроводниковых материалов, прогресс в создании СИД и появление этих приборов на основе МКГ AHnGaN, позволили решить проблемы увеличения светового выхода, ограниченность диапазона цветов и, главное, создания СИД белого цвета свечения, что ранее препя гство-вало применению СИД в освещении.
В настоящее время КПД преобразования потребляемой электрической мощности в мощность излучения достигает, например, у приборов компании Cree Inc. 14 % (УФИД), 17 % (СИД зелёного цвета свечения) и 38 % (СИД синего цвета свечения). СИД белого цвета свечения на основе синих кристаллов со стоксовским люминофорным покрытием вплотную подошли к рубежу светоотдачи 100-120 лм/Вт, обеспечивающему их превосходство в осветительных устройствах не только над лампами накаливания, но и над другими источниками света [6]. Тем не менее, до конца нерешёнными остаются две основные проблемы: уменьшение КПД ИД при увеличении плотности рабочего тока свыше 10 А/см и повышение КПД СИД зелёного цвета свечения до уровіи СИД синего цвета свечения.
Широкое применение нхтучзющих диодов на основе МКГ AlGalnN, обусловленное не только их высокими светотехническими характеристиками, но и потенциально большим сроком службы, существенно превосходящим срок службы альтернативных источников света, высокой мощностью излучения, многообразием в создании цветов свечения СИД, возможностью создания СИД белого цвета свечения, обнаруживает и проблемы, требующие решения: увеличение эффективности и срока эксплуатации СИД, изучение и прогнозирование деградации рабочих характеристик СИД при влиянии различных воздействий. У современных AlGalnN СИД срок службы составляет не менее 50 000 часов. Механизмы деградации рабочих характеристик СИД на основе различных материалов под воздействием протекающего тока исследовались во многих работах,
например, в работах Ф.И. Маняхина, А.Э. Юновича и П.Г. Елисеева. Вместе с тем, представляются актуальными исследования постепенной деградации рабочих характеристик СИД при других внешних воздействиях, таких как механические вибрации, радиация, электромагнитное излучение и ультразвуковые колебания. Рассматриваемые выше факторы важны и интересны для изучения во-первых, потому что отличительными чертами полярных соединений, в частности, твердых растворов AlyInxGai.,.yN, являются сильно выраженный пьезоэлектрический эффект (ПЭ) и спонтанная поляризация (СП), которые усиливают эффект воздействия внешних факторов, таких так УЗ и ток, на электрические и оптические характеристики СИД; во-вторых, потому что УЗ применяется при производстве СИД; в-третьих - в связи с расширением областей применения СИД, в которых возможно УЗ воздействие (УЗВ) (например, аэрокосмическая область, медицина и т.д.).
Полученные ранее результаты исследований ИД позволили создать общее представление о физических процессах, происходящих в МКГ с МКЯ. Однако отсутствие теоретической основы для прогнозирования изменения рабочих характеристик СИД является одной из нерешённых проблем. Необходимо иметь способ получения оптимальных параметров, причём экономя материальные затраты. Для подобных сложных объектов расчёты основных зависимостей, определяющих качество СИД и УФИД, таких как вольт-амперные характеристики (ВАХ), вігутренний квантовый выход излучения и его зависимость от плотности тока, требуют использования численных методов компьютерного моделирования [7], учитывающих всё многообразие конструктивных, физических и технологических параметров МКГ. Подобный подход был успешно продемонстрирован для AlGalnN лазеров в работах С. Накамуры (Sh. Nakamura) и А. Томчука (A. Tomczyk). Использование компьютерного моделирования представляется актуальным, так как позволяет не только уточнить теоретические характеристики AlGalnN МКГ, но и значительно сэкономить материальные средства при отработке технологии их получения.
Целью диссертационной работы является развитие теоретических представлений об электрических и оптических характеристиках светоизлучающих диодов на основе многокомпонентных гетероструктур AlGalnN с использованием компьютерного моделирования, определение механизмов изменения этих характеристик под воздействием УЗ-колебаний и установление взаимосвязи воздействия ультразвука и токовой нагрузки на срок службы СИД.
Для достижения поставленной цели, с учётом проведённого анализа проблемы, в работе решались следующие основные задачи:
создание методики компьютерного моделирования электрических и оптических характеристик многокомпонентных гетероструктур AIGamN с квантово-размерной активной излучающей областью;
исследование деградации рабочих характеристик СИД синего и зелёного цветов свечения при токовой нагрузки и УЗ воздействии;
разработка методики исследования изменения электрических и оптических характеристик AlGalnN ИД при воздействии УЗ колебаний.
Научная новизна работы.
> Разработана методика компьютерного моделирования электрических и излучательных характеристик многокомпонентных гетероструктур (МКГ) AlGalnN, учитывая квантово-размерные ямы (КЯ), с полным описанием структуры, физических процессов и параметров слоев кри-
сталлов с различным содержанием атомов In и А1. Создана теоретическая база, которая позволяет получать хорошее соответствие результатов моделирования и экспериментальных данных, что подтверждает работоспособность методики. Показано, чго оптимальная конструкция МКГ содержит слабо легированные n "InxGai.xN-K# и более сильно легированные n-GaN барьеры.
> Основываясь на модели термоэлектронной природы тока между InjGai.jN-КЯ и
еЦ
GaN-барьсрами, ВЛХ МКГ можно описать зависимостью j = js {X) е ~> Создана модель МКГ, объясняющая уменьшение квантового выхода с увеличением плотности тока в диапазоне J>5 -10 А/см , основанная на учёте перераспределения концентраций электронов и дырок между КЯ в условиях сильного неравенства характеристических времен безызлучательной рекомбинации по модели Шокли-Холла-Рида.
> Установлено влияние УЗ колебаний на деградацию рабочих характеристик (ВАХ, оптическая
мощность и спектры электролюминесценции) СИД синего и зелёного цветов свечения. Впер
вые предложена модель механизма воздействия ультразвука на рабочие характеристики СИД,
основанная на возникновении сильного внутреннего поля (пьезоэлектрическое поле и спон
танная поляризация) в области р—n-перехода, создающего "горячие" носители заряда, взаимо
действие которых с атомами решётки приводит к образованию дефектов структуры и, воз
можно, к изменению состава квантово-размерной активной области.
Практическая ценность работы
Разработана методика компьютерного моделирования рабочих характеристик AlGalnN-многокомпонентных гстерострукгур, предназначенная для оптимизации параметров их конструкции с целью получения максимального внешнего квантового выхода и минимального падения напряжения, основанная на модели, учитывающей полную совокупность параметров МКГ (составы эпитаксиальных слоев; количество, длина и степени легирования КЯ и барьеров, п- и р-эмиттеров).
Установлено, что при производстве СИД необходимо избегать использования УЗ воздействия, т.к. у СИД, при производстве которых применялась УЗ сварка, скорость деградации на 30 % больше, чем у СИД, собранных, без использования УЗ.
В результате выполнения работы создан 1 объект интеллектуальной собственности, зарегистрированный в Депозитарии НОУ-ХАУ МГИСиС (ТУ) - № 209-037-2006 ОИС от 27 июня 2006 г.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Развиты теоретические представления о конструкциях, электрических и оптических характеристиках многокомпонентных гетероструктур (МКГ) AlGalnN с помощью современных методов компьютерного моделирования, хорошо согласующихся с экспериментальными данными. Получены экспериментальные данные по изменению характеристик СИД при воздействии внешних факторов - величины и длительности протекания прямого юка, ультразвуковых колебаний, подтверждённые теоретическими расчётами.
2. По результатам моделирования установлено:
- в рамках модификации модели термоэлектронной природы тока между квантово-размерными
ямами (КЯ) и барьерами, ВАХ МКГ с содержанием атомов In в InxGa!.xN-KiI X = 0,05 ч-0,35 и
еУ
— і ( v\ „"(.XJH т
GaN-оарьерами могут быть описаны выражением J — },\Л)'Є в наиболее практи-
чески важном диапазоне плотностей тока j = 10" -т-500 А/см ;
наличие InxGai.xN-КЯ начинает сказываться на виде ВАХ уже при значениях Х=0,05-5-0,1 и, особенно, при X ~ 0,1 *0,35. При Х>0,1 величина коэффициента неидеальности n(X, J) постепенно растёт во всём диапазоне J = 0,1 s- 500 А/см2;
с ростом плотности тока при Х>0,1 увеличивается неравномерность распределений электронов и дырок по КЯ, появляется дополнительное напряжение на МКГ по сравнению со структурой X = 0, а ускоряющее электрическое поле, достигает при X = 0,2 и J = 100 А/см2 величины 3-Ю5 В/см и при X = 0,3 и J = 100 А/см2 величины 1,5-106 В/см, что приводит к неравномерности распределения скоростей излучательной и безызлучательной рекомбинации по КЯ;
влияние локальной неоднородности распределения атомов In в КЯ на характеристики МКГ учитывается моделью кристалла СИД, представляющего собой параллельное соединение множества квантово-размерных областей с различным содержанием атомов In;
уменьшение квантового выхода мощности излучения при увеличении плотности тока вероятно объясняется перераспределением концентраций инжектированных носителей заряда между КЯ при неравенстве характеристических времён жизни электронов и дырок в ШХР механизме безызлучательной рекомбинации;
доказательством работоспособности методики моделирования является совпадение экспериментальных данных и результатов компьютерного моделирования, которое подтвердило, что выбор МКГ вида p+GaN/p+Alo,2Gao.sN/4(n'In,Gai.xN—n"GaN)/n+GaN, позволяет получать оптимальные рабочие характеристики ИД при изменении содержания атомов In в активной области Х=О,05 -г 0,3 и плотности прямого тока в практически важном интервале J=0,1 + 500 А/см2.
3. Экспериментально обнаружено отрицательное влияние УЗ колебаний на ВАХ и спектры
электролюминесценции СИД даже при отсутствии токовой нагрузки. Механизм воздействия
предполагается в виде последовательною процесса: генерация сильного электрического поля
за счёт пьезоэлектрического эффекта и спонтанной поляризации, приводящего к увеличению
энергии носителей заряда; взаимодействие последних с атомами решётки приводит к образо
ванию дефектов структуры и к изменению состава квантово-размерной активной области.
Данное предположение подтверждено измерениями концентрации зарядовых центров в ак
тивной области СИД.
Апробация результатов работы.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
> V Международной конференции "Молодые ученые - промышленности, науке, технологиям и
профессиональному образованию: проблемы и новые решения", Москва, 2005. < "V Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи", Москва, 2005 <' "Compound Semiconductor Manufacturing Expo (CS-MAX)", Palm Springs, CA, USA, 2005.
б
VII Международной конференции "Опто-, накоэлектроника, нанотехиологни и микросистемы", Ульяновск, 2005.
VI Международной светотехнической конференции, Калининград, Светлогорск, 2006.
V Всероссийской конференции "Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы", МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 2007.
> I Международной казахстанско-российско-янонской научной конференции (Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматерш-лов). МИСиС-Interactive Согр.-ВКГТУ, Усть-Каменогорск, 2008 г.
По материалам диссертационной работы получены:
Диплом за лучший доклад на V Международной конференции (при поддержке ЮНЕСКО) "Молодые ученые - промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения".
Диплом лауреата конкурса квалификационных работ выпускников учреждений высшего профессионального образования Москвы и Московской области за лучшую работу в номинации "Энергосберегающие тсхлологии в городском хозяйстве и на транспорте", 2005 г.
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 - в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и библиографического списка цитированной литературы. Работа изложена на 149 страницах, включая 84 рисунка, 109 формул, 13 таблиц, библиографический список цитированной литературы на 12 страницах, содержащий 218 наименований и приложения на 66 страницах.
