Содержание к диссертации
Введение
1. Введение 3
1.1. Актуальность темы 3
1.2. Основные цели работы 4
1.3. Научная новизна результатов, полученных в диссертации 5
1.4. Основные положения, выносимые на защиту : 6
1.5. Научная и практическая ценность 8
1.6. Достоверность результатов 9
1.7. Апробация работы 9
1.8. Публикации 12
1.9. Структура и объем диссертации 12
2. Литературный обзор 13
2.1. Гетероструктуры AlGaNflnGaN/GaN с квантовыми ямами 13
2.2. Технологии роста структур на основе GaN (MOCVD) 16
2.3. Механизмы излучательной рекомбинации в гетроструктурах 17
2.4. Электроотражение гетероструктур с квантовыми ямами типа InGaN/AlGaN/GaN 19
2.5. Конструкции светодиодов 20
2.6. Белые светодиоды. Цветовые характеристики 21
3. Излучательная рекомбинация в GaN- гетероструктурах и модель двумерной комбинированной плотности состояний 24
3.1. Модель двумерной комбинированной плотности состояний с учетом флуктуации потенциала 24
3.2. Эффективная ширина запрещенной зоны. Флуктуации потенциала и хвосты плотности состояний. Температура 25
4. Методика эксперимента 30
4.1. Экспериментальные установки 30
4.2. Зависимость спектров от температуры 33
4.3. Зависимость спектров от угла наблюдения 34
4.4. Экспериментальные методики, результаты которых использованы в диссертации 36
4.5. Исследованные образцы :.. 38
5. Экспериментальные результаты 45
5.1. Светодиоды на основе гетероструктур, выращенных на SiC-подложках 45
5.2. Светодиоды на основе гетероструктур, выращенных на АЬОз подложках 53
5.3. Анализ экспериментальных результатов моделью двумерной комбинированной плотности состояний 62
5.4. Спектры электроотражения гетероструктур с квантовыми ямами типа InGaN/AIGaN/GaN 72
5.5. Цветовые характеристики белых светодиодов и светодиодных модулей 81
6. Обсуждение результатов 98
7. Выводы 102
8. Литература
- Научная новизна результатов, полученных в диссертации
- Технологии роста структур на основе GaN (MOCVD)
- Эффективная ширина запрещенной зоны. Флуктуации потенциала и хвосты плотности состояний. Температура
- Экспериментальные методики, результаты которых использованы в диссертации
Введение к работе
1.1Актуальность темы
Исследования и разработки светодиодов на основе гетероструктур нитрида галлия и его твердых растворов ведутся в последние годы интенсивными темпами [1,2]. Высокий интерес к светодиодам на основе GaN обусловлен, главным образом, перспективой их применения в качестве высокоэффективных, экологичных и долговечных источников освещения. В настоящее время синие светодиоды (СД) различных изготовителей достигли эффективности 63% [3], а светоотдача белых СД на их основе с люминофорным покрытием- 131 лм/Вт [4] и 150 лм/Вт [5], что превосходит эффективность не только ламп накаливания, но и люминесцентных ламп.
Однако эти рекордные значения эффективности достигнуты на приборах с кристаллами малых размеров (для увеличения вывода света), при малых яркостях (для минимизации потерь) или с низким качеством цветопередачи (повьппенное содержание желтого и зеленого излучения, к которому глаз наиболее чувствителен) [6]. Кроме того, неизбежны потери при преобразовании синего излучения в белое с использованием люминофора- к примеру, светоотдача 150 лм/Вт, полученная с использованием синего светодиода с эффективностью 63%, соответствует конечной эффективности примерно в 40%. При этом, эффективность светодиода определяется произведением его внутреннего rji и внешнего % квантового выхода. Величина г)х имеет максимум в зависимости от тока. Ее падение при больших токах определяется инжекцией неосновных носителей за пределы активной области с квантовыми ямами [7, 8], неоднородностью растекания тока вблизи контактов [9] и увеличением температуры диода. Внешний квантовый выход излучения т]е, зависит от оптической конструкции - геометрии кристалла и контактов, показателя преломления и формы фокусирующей линзы. Сегодня нам недоступно светодиодное освещение, которое будет одновременно недорогим, высокоэффективным и с высокой цветопередачей; эти ограничения препятствуют широкому распространению светодиодного освещения.
Современные мировые проблемы разработок светодиодов заключаются в одновременном увеличении мощности излучения единичного прибора, увеличении внутреннего и внешнего квантового выхода светодиода, увеличении тока при котором эффективность диода достигает максимума, увеличении эффективности люминофора и уменьшении стоимости готового прибора.
Разработки эффективных светодиодов активно и на высоком уровне ведутся в российских промышленных организациях (ЗАО "Светлана-Оптоэлектроника", НПЦ ОЭП"Оптэл", ЗАО "КаверЛайт" и др.). Так, материалы настоящей работы вошли в научно-технические отчеты по совместным договорам с фирмами ЗАО "Светлана-Оптоэлектроника" и "ACOLechnologies", в работы по гранту Московского Комитета по Науке и Технологиям.
Актуальность темы обусловлена тем, что р-п-гетероструктуры InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами являются основой для разработок эффективных полупроводниковых светодиодов. Исследование особенностей механизмов рекомбинации в этих структурах позволяет найти пути повышения эффективности и мощности излучения светодиодов, представляющих большой интерес для различных практических применений, в частности, для общего освещения.
1.2. Основные цели работы
Важнейшей целью исследований гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами является научное обоснование разработок эффективных светодиодов в видимой области спектра как основы освещения будущего. В рамках этой общей проблемы в настоящей работе была поставлена цель определить особенности излучательной рекомбинации в р-n- гетероструктурах InGaN/AlGaN/GaN, а также спектральные и электрические характеристики светодиодов на их основе, созданных в различных технологических условиях и имевших различые конструкции.
Для достижения этой цели были поставлены следующие конкретные задачи:
1. Усовершенствовать и наладить экспериментальные установки для изучения спектров и эффективности светодиодов в видимой и ближней УФ области спектра, разработать программное обеспечение для автоматизации измерений и теоретической обработки спектров.
2. Охарактеризовать физические параметры гетероструктур, выращенных в разных технологических условиях, исходя из результатов исследований люминесцентных и электрических свойств светодиодов синего свечения в широком диапазоне токов.
3. Разработать модель количественного описания формы спектров электролюминесценции СД на основе нитрида галлия; учесть особенности вывода излучения из структуры, проанализировать выбор параметров для этого описания. Провести анализ спектров исследованных светодиодов с помощью этой модели.
4. Определить спектральные характеристики и эффективность диодов белого свечения, созданных на основе синих светодиодов, с люминофорными покрытиями. Исследовать цветовые характеристики светодиодов и светодиодных модулей и дать рекомендации об их возможных применениях для источников общего освещения.
1.3. Научная новизна результатов, полученных в диссертации
Модель двумерной комбинированной плотности состояний с учетом флуктуации потенциала дополнена учетом изменения температуры активной области с током и интерференционной модуляции излучения в плоской геометрии кристаллов. Это позволило количественно описать спектры электролюминесценции многослойных р-п-гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами.
Установлено, что часть излучения (до 10% по интенсивности) синих светодиодов на основе р-п-гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами обусловлена рекомбинацией в широкозонных слоях структуры.
Показано, что полоса в спектрах электроотражения р-n- гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN соответствует эффективной ширине запрещенной зоны в активной области InGaN/GaN, определенной из спектров электролюминесценции светодиодов.
Показано, что анализ интерференционной структуры в спектрах электролюминесценции и электроотражения светодиодов позволяет определять толщину разных слоев выращенных структур.
Показано, что максимум коэффициента полезного действия светодиодов изменяется в пределах от 12 до 28% и коррелирует с легированием донорами в буферной сверхрешетке структуры, модулированным легированием барьеров, составом барьерного слоя, ограничивающего инжекцию электронов в р-область.
1.4. Основные положения, выносимые на защиту
1. Форма спектров электролюминесценции светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами описывается моделью излучательной рекомбинации в хвостах двумерной плотности состояний с учетом особенностей вывода излучения из структуры и температуры активной области.
2. Показано, что барьерный слой p-AlGaN в этих гетероструктурах существенно влияет на величину флуктуации потенциала, определяющих длинноволновый спад спектров электролюминесценции светодиодов. 3. Исследования, проведенные в диссертации, показали, что вариации технологии изготовления светодиодных гетероструктур на основе GaN, выращенных на сапфировых подложках, (увеличение уровня легирования буферной сверхрешетки и модулированного легирования барьеров в активной области структуры, подбор толщины барьера p-AlGaN) позволяют достичь максимальной мощности излучения синих СД до 46 мВт при токе 100 мА, и максимального значения КПД- до 28% при токе J = 2 мА.
4. Полоса в спектрах электроотражения р-п- гетероструктур типа InGaN/AIGaN/GaN вблизи 2.76 эВ соответствует эффективной ширине запрещенной зоны в активной области InGaN/GaN, определенной из спектров электролюминесценции светодиодов.
5. Спектры излучения синих СД на основе р-п- гетероструктур InGaN/AIGaN/GaN с множественными квантовыми ямами, выращенных на подложках из SiC, существенно не отличаются от спектров СД на основе структур на подложках из сапфира. Показано, что КПД исследованных СД на подложках SiC достигает значений ГІР = 16-22% при токах 100-350 м А.
6. Координаты цветности белых светодиодов на основе гетероструктур, выращенных на подложках из SiC и имеющих светоотдачу до 40 лм/Вт, а световой поток - до 50 лм при токе 350 мА, соответствуют области белого свечения с индексами цветопередачи, достаточными для их применений в освещении.
7. Коррелированную цветовую температуру модуля с белыми и желтым светодиодами можно изменять в пределах от 3340 до 9920 К путем изменения тока через желтый светодиод. Аналитическое моделирование спектров трехцветных светодиодных модулей позволяет достигнуть координат цветности в заданных точках на цветовых диаграммах. 1.5. Научная и практическая ценность
Модернизирован спектральный измерительный комплекс, позволяющий исследовать люминесцентные и электрические свойства светодиодов на основе нитрида галлия в широком динамическом диапазоне токов возбуждения (от 10 до 2 А) и интенсивностей излучения (5 порядков) с высоким разрешением (до «0.1 А). Экспериментальные установки совместно с разработанным программным обеспечением теоретической обработки спектров позволяют проводить комплексный анализ люминесцентных и электрических свойств светодиодов. Установки были использованы и могут быть использованы в дальнейшем для контроля технологии создания светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами.
Результаты исследований позволили выявить особенности излучательной рекомбинации в светодиодных гетероструктурах на основе GaN с множественными квантовыми ямами. Показано, что основная полоса в спектре излучения синих светодиодов определяется механизмом излучательной рекомбинации в двумерных структурах с хвостами плотности состояний, обусловленными флуктуациями потенциала, с учетом нагрева и особенностей вывода излучения из структуры.
Результаты исследований позволяют оценить влияние технологии изготовления светодиодных гетероструктур на основе GaN на люминесцентные свойства светодиодов в видимой и ближней УФ области спектра и позволили сформулировать рекомендации технологическим группам по изготовлению гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами и светодиодов на их основе.
Результаты исследований цветовых характеристик различных светодиодных модулей продемонстрировали их возможности для решения различных задач целей освещения и индикации и отображения информации.
Это определило практическую ценность работы. Результаты диссертации были использованы в Научно-техническом отчете по договору N 170/05-К от 20.08.2005 с Московским Комитетом по Науке и Технологиям (МКНТ ГА-159/05), в котором даны рекомендации по применению белых светодиодов в освещении и разработке среднесрочной целевой Программы г. Москвы «Энергосберегающее освещение на базе светодиодных технологий».
Результаты диссертации были использованы в Научно-техническом отчете по договору N 104/05-К от 23.05.2005 с ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника», в котором даны рекомендации по технологии выращивания р-п- гетероструктур для создания эффективных светодиодов синего и белого свечения.
1.6. Достоверность результатов
Достоверность результатов обеспечена комплексным характером исследований спектров люминесценции, электрических и структурных свойств светодиодов, подтверждением результатов экспериментальных измерений теоретическими расчетами.
1.7. Апробация работы
Результаты диссертационной работы доложены на 5 Российских и 4 Международных научных конференциях и обсуждались на семинарах кафедры физики полупроводников физического факультета МГУ:
1. МЛ.Бадгутдинов, Н.А.Гальчина, Е.В.Коробов, Л.М.Коган, Ф.А.Лукьянов, И.Т.Рассохин, Н.П.Сощин, А.Э.Юнович. Спектры, цветовые характеристики и светоотдача белых светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN, покрытых люминофорами. 4-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы», С.-Петербург, 2005,Тезисы докладов, с. 140.
2. М.Л.Бадгутдинов, Н.А.Гальчина, Е.В.Коробов, Л.М.Коган, Ф.А.Лукьянов,
И.Т.Рассохин, Н.П.Сощин, А.Э.Юнович. Спектры и цветовые характеристики мощных светодиодов белого свечения на основе гетероструктур с квантовыми ямами InGaN/AlGaN/GaN, покрытых люминофорами. 7-я Российская Конференция по физике полупроводников, Звенигород, 2005 г., тезисы докладов, с. 105.
3. М.Л.Бадгутдинов, С.С.Широков, Д.А.Николаев. Конструкция и физические характеристики светодиодов белого свечения на основе нитрида галлия. Тезисы докладов VII Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, С.-Петербург, 2005, стр. 98.
4. М.Л.Бадгутдинов, Л.ПАвакянц, П.Ю.Боков, А.В.Червяков, С.С.Широков, А.Э.Юнович, А.А.Богданов, Е.Д.Васильева, Д.А.Николаев, А.В.Феопентов. Спектры электроотражения гетероструктур с квантовыми ямами типа InGaN/AlGaN/GaN. Труды VIII международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». Ульяновск, 2006. стр.172.
5. МЛ.Бадгутдинов, С.С.Широков, А.Э.Юнович, А.А.Богданов, Е.Д.Васильева, Д.А.Николаев, А.В.Феопентов. Спектры люминесценции и эффективность синих и белых светодиодов на основе р-п-гетероструктур InGaN/GaN. Труды VIII международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Ульяновск, 2006. стр.200.
6. М.Л.Бадгутдинов, Д.В.Милютин. Исследования трехцветных светодиодов. Тезисы докладов научно-технической конференции «Молодые светотехники России». Москва, 2005, стр.23.
7. М.Л.Бадгутдинов, Д.В.Милютин, А.Э.Юнович, Э.М.Гутцайт. Измерения полноцветных светодиодов. 12 Междун. Конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика», Москва, МЭИ, 2006, тез. докладов, том 1. с.209-210.
8. М.Л.Бадгутдинов, Ф.А.Лукьянов, А.Э.Юнович, Э.М.Гутцайт, Л.М.Коган.
Исследования цветовых параметров светодиодных модулей. VI Международный Светотехнический Конгресс «Свет без границ». Тезисы докладов, Калининград, Светлогорск, 2006, с. 50-51.
9. A.E.Yunovich, L.P.Avakyants, M.L.Badgutdinov, P.Yu.Bokov, A.V.Chervyakov, S.S.Shirokov, E.D.Vasileva, A.V.Feopentov, F.M. Snegov, D.A.Bauman, and B.S.Yavich. Electroreflectance spectra of InGaN/AlGaN/GaN p-n-heterostructures. MRS Fall Meeting 2006, Boston, 2006, Abstr. 115.36.
10. М.Л.Бадгутдинов, А.Э.Юнович. Анализ спектров излучения светодиодов и определение параметров р-n- гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN. Восьмая всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. С.-Петербург, 2006, тез. докл., стр. 101.
11. М.Л.Бадгутдинов, С.С.Широков, А.Э.Юнович, М.Г.Агапов, Д.В.Давыдов, Д.А.Лавринович, Ф.М.Снегов. Анализ спектров излучения и эффективность синих светодиодов на основе р-п-гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN. 5-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы», Москва,
2007, тезисы докладов, с.89.
12. Л.П.Авакянц, М.Л.Бадгутдинов, П.Ю.Боков, А.В.Червяков, С.С.Широков, А.Э.Юнович. Электроотражение в р-п-гетероструктурах с квантовыми ямами на основе InGaN/AlGaN/GaN. 5-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы», Москва, 2007, Тезисы докладов, с. 105.
13. Бадгутдинов М.Л., Корнева Т.М., Милютин Д.В., Пасекова Л.М. (рук-ли: Юнович А.Э., Гутцайт Э.М.) Спектры светодиодов белого свечения с высокими индексами цветопередачи. Радиотехника, электроника и энергетика // Тринадцатая Междунар.науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тезисы докладов - М.: МЭИ, 2007. Т.1. С.171,172. 14. МЛ.Бадгутдинов, А.Э.Юнович. Спектры люминесценции и эффективность синих светодиодов на основе р-n- гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN. Ломоносовские чтения, секция физики, Москва, 2007, Тезисы докладов, с.55.
1.8. Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4-х статьях в журналах [10,11,12,13] и в 14 тезисах докладов. Направлена и принята к печати 1 статья.
1.9. Структура и объем диссертации
Диссертация содержит 8 глав - введение, литературный обзор, теоретический обзор механизмов излучательной рекомбинации в квантовых ямах, методику экспериментов, описание экспериментальных результатов, обсуждение результатов, выводы, список литературы. Работа представлена на ПО страницах, включает в себя 51 рисунок и 7 таблиц.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации
Важнейшей целью исследований гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами является научное обоснование разработок эффективных светодиодов в видимой области спектра как основы освещения будущего. В рамках этой общей проблемы в настоящей работе была поставлена цель определить особенности излучательной рекомбинации в р-n- гетероструктурах InGaN/AlGaN/GaN, а также спектральные и электрические характеристики светодиодов на их основе, созданных в различных технологических условиях и имевших различые конструкции.
Для достижения этой цели были поставлены следующие конкретные задачи:
1. Усовершенствовать и наладить экспериментальные установки для изучения спектров и эффективности светодиодов в видимой и ближней УФ области спектра, разработать программное обеспечение для автоматизации измерений и теоретической обработки спектров.
2. Охарактеризовать физические параметры гетероструктур, выращенных в разных технологических условиях, исходя из результатов исследований люминесцентных и электрических свойств светодиодов синего свечения в широком диапазоне токов.
3. Разработать модель количественного описания формы спектров электролюминесценции СД на основе нитрида галлия; учесть особенности вывода излучения из структуры, проанализировать выбор параметров для этого описания. Провести анализ спектров исследованных светодиодов с помощью этой модели.
4. Определить спектральные характеристики и эффективность диодов белого свечения, созданных на основе синих светодиодов, с люминофорными покрытиями. Исследовать цветовые характеристики светодиодов и светодиодных модулей и дать рекомендации об их возможных применениях для источников общего освещения.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации
Модель двумерной комбинированной плотности состояний с учетом флуктуации потенциала дополнена учетом изменения температуры активной области с током и интерференционной модуляции излучения в плоской геометрии кристаллов. Это позволило количественно описать спектры электролюминесценции многослойных р-п-гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами.
Установлено, что часть излучения (до 10% по интенсивности) синих светодиодов на основе р-п-гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами обусловлена рекомбинацией в широкозонных слоях структуры.
Показано, что полоса в спектрах электроотражения р-n- гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN соответствует эффективной ширине запрещенной зоны в активной области InGaN/GaN, определенной из спектров электролюминесценции светодиодов.
Показано, что анализ интерференционной структуры в спектрах электролюминесценции и электроотражения светодиодов позволяет определять толщину разных слоев выращенных структур.
Показано, что максимум коэффициента полезного действия светодиодов изменяется в пределах от 12 до 28% и коррелирует с легированием донорами в буферной сверхрешетке структуры, модулированным легированием барьеров, составом барьерного слоя, ограничивающего инжекцию электронов в р-область. Основные положения, выносимые на защиту
1. Форма спектров электролюминесценции светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами описывается моделью излучательной рекомбинации в хвостах двумерной плотности состояний с учетом особенностей вывода излучения из структуры и температуры активной области.
2. Показано, что барьерный слой p-AlGaN в этих гетероструктурах существенно влияет на величину флуктуации потенциала, определяющих длинноволновый спад спектров электролюминесценции светодиодов.
Технологии роста структур на основе GaN (MOCVD)
В основе светодиодов и лазеров на основе нитрида галлия лежит, как правило, механизм электронно-дырочной излучательной рекомбинации в квантовых ямах InGaN. Для предсказания и расчета спектра электролюминесценции, поведения спектра и интенсивности излучения с изменением тока, изменения электрических и спектральных характеристик с изменением структуры диода, необходимо представлять процессы, протекающие в гетероструктуре и активной области, и их детали.
Спектры электролюминесценции светодиодов на основе гетероструктур из нитрида галлия и его твердых растворов изучались в последнее десятилетие весьма подробно в многочисленных экспериментальных и теоретических работах (см., например, ссылки в [1]). Однако количественный анализ формы спектров и их изменения с изменением тока и температуры требует более подробного рассмотрения в связи с развитием технологии их создания и их широким применением.
Анализ спектров синих и зеленых СД на основе гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN проводился ранее на основе сравнительно простой теоретической модели двумерной (2D-) структуры с 4 параметрами, учитывающей флуктуации потенциала и статистическое распределение носителей в активной области [22-24]. Реальная структура активных областей светодиодов с р-n- гетеропереходами InGaN/AlGaN/GaN намного сложнее простой 2D- модели. В активной области имеется не одна, а несколько (3-5) квантовых ям; существенную роль играют неоднородности распределения In типа «квантовых островков» в твердом растворе InGaN [25-28]; спонтанная и пьезоэлектрическая поляризация в множественных квантовых ямах (МКЯ) меняется как вследствие модулированного легирования [29, 30], так и при инжекции электронно-дырочных пар в активную область [31, 32]; при увеличении уровня инжекции роль разных квантовых ям изменяется, есть свидетельства в пользу того, что основную роль играет квантовая яма, ближайшая к р- области [32]; рекомбинация в гетероструктуре неоднородна по площади и зависит от контактов, особенно при больших токах [33-35]. Теоретический анализ распределения потенциала, электрического поля и концентраций электронов и дырок в МКЯ InGaN/GaN, проведенный в [32, 33] с учетом диффузии и дрейфа носителей тока при инжекции, включает много параметров и позволяет дать качественное, но не количественное описание формы спектров излучения.
Форма спектров излучения светодиода существенно зависит не только от механизмов излучательной рекомбинации в активной области, но и от вывода излучения из кристалла. В плоской структуре с зеркальными поверхностями существенную роль играет интерференция света в резонаторе типа Фабри-Перо; значительная часть излучения выходит из кристалла не перпендикулярно поверхности, а многократно отражаясь под разными углами, частично поглощается в коротковолновой части и выходит из кристалла через боковые грани. Спектр бокового излучения не содержит интерференционной структуры и сглаживает общий спектр; частичное поглощение сдвигает его в длинноволновую сторону.
Однако простая теоретическая модель довольно хорошо описывает основные особенности спектров излучения светодиодов на основе структур с р-n- гетеропереходами InGaN/AlGaN/GaN [22-24]. В настоящей работе была поставлена задача такого экспериментального исследования спектров, чтобы их теоретический анализ помог выяснить пределы применимости простой модели. Следовало уточнить физический смысл параметров модели и возможности однозначного их определения из сравнения теоретической модели с экспериментально наблюдаемыми особенностями спектров. Представлялось важным дополнить анализ спектров на основе указанной модели учетом интерференции и изучить спектры, как готовых светодиодов, так и образцов, не содержащих в своих конструкциях элементов, фокусирующих боковое излучение.
Методы модуляционной спектроскопии и в частности спектроскопии электроотражения позволяют получить уникальные сведения об оптических свойствах гетероструктур [36]. В статьях [37, 38] была описана методика исследования спектров фотоотражения гетероструктур соединений типа А В с квантовыми ямами. Ранее методы фотоотражения и бесконтактного электроотражения применялись для исследования межзонных и внутризонных переходов в гетероструктурах с квантовыми ямами на основе InGaN/GaN для светодиодов [39]; на основе AIInN/GalnN [40] и AlGaN/GaN для полевых транзисторов [41]; для исследования двумерного электронного газа в легированных гетероструктурах AlGaN/GaN [42].
Структуры типа InGaN/AlGaN/GaN, выращенные для создания светодиодов (СД), дают уникальную возможность исследований р-n- гетероструктур с квантовыми ямами методами модуляционной спектроскопии. Если они смонтированы р-областью к теплоотводу (см., например, [43]), их можно осветить через прозрачную подложку и п-область и наблюдать спектры отражения от структуры в целом. Для модуляции коэффициента отражения к р-n переходу прикладывается периодическое напряжение в обратном направлению, которое изменяет электрическое поле в активной области р-п-структуры. Изменение электрического поля влияет на энергетический спектр электронов в квантовых ямах и на гетерограницах, что должно изменять спектры оптического отражения. Хотя относительные изменения коэффициента отражения малы dR/RMO"4, они могут быть зарегистрированы с помощью техники синхронного детектирования. В статье [35] были описаны подобные структуры, разработанные для мощных светодиодов синего свечения. Спектры излучения и электрические свойства этих СД описаны в разделе 5.2.
Эффективная ширина запрещенной зоны. Флуктуации потенциала и хвосты плотности состояний. Температура
Конечная формула для описания формы спектров, таким образом, имеет вид: где функции N \hu),Eg,E0) fp E AF TJ ]і{\а,ЬЕ,Еф} и константа Ао определены уравнениями (3.1) - (3.7).
Для аппроксимации экспериментальных спектров в большем динамическом диапазоне формулой (3.8) была разработана программа на языке C++, которая позволяет численно подбирать параметры модельной многопараметрической функции методом "покоординатного спуска". Критерием наилучшего согласия служила минимизация среднеквадратичных отклонений экспериментального спектра от теоретического: (суммирование производится по всем N точкам спектрального интервала). Было использовано два различных критерия подгонки параметров: минимизации суммы квадратичных отклонений а при представлении экспериментальных спектров в линейном масштабе до 1-Ю" отн. ед. или минимизация а при представлении в полулогарифмическом масштабе. В первом случае наилучшим образом подбираются параметры, сильно влияющие на положение максимума спектра и его форму вблизи максимума. Во втором случае наилучшим образом определяются параметры, влияющие на форму спада спектральной интенсивности вдали от максимума. Рассчитьшались также полуширина и интегральная интенсивность экспериментального и теоретического спектров.
В активной области реальных структур имеется, однако, несколько квантовых ям и барьеров (в исследованных в работе образцах- 5) с несколько отличающимися значениями ширины зоны, так что подбираемые параметры , Е$, Е\ и eU имеют смысл как усредненные, эффективные значения. Усреднение происходит как по ширине ямы, так и в плоскости, параллельной слоям структуры. В формуле (3.8) в области коротких длин волн величина N (ha) = const, как это должно быть для 2D- структур. Такая экстраполяция может быть неоправданной, если существенно влияние макронеоднородностей, возникающих за счет флуктуации концентрации In, приводящих к сегментации квантовой ямы или возникновению квантовых точек и нитей (плотность 1/9 состояний 5-функции и (ha)) , соответственно), а также влияние широкозонных 1/2 объемных слоев (плотность состояний (ha ) ). При сравнении формулы (3.8) с экспериментом представлялось интересным выяснить, насколько оправдана модельная экстраполяция и однозначно ли определение параметров.
Автоматизированная установка для измерения спектров электролюминесценции светодиодов была выполнена на базе монохроматора МДР-12, который обеспечивал точность измерений дисперсией 2,4 нм/мм (при ширине входной щели не более 30 мкм это позволяло достичь спектрального разрешения установки до 1 А). Это соответствовало точности определения энергии квантов 0,3-0,4 мэВ при измерениях в синей и зеленой областях спектра (450-550 нм). Измерения проводились с постоянным шагом по длинам волн АХ = 0,1-1нм, до 170-1700 точек на спектральном интервале, с усреднением по 3-15 измерениям в каждой точке.
Цифровые приборы, включенные в измерительный комплекс для усиления и измерения сигналов, позволили увеличить динамический диапазон установки до 5-ти порядков. Шумы и наводки ограничивали динамический диапазон для единичного спектра (но не системы спектров) на уровне сигнала 10 -10" от интенсивности в максимуме. Цифровой источник питания Motech LPS-303 позволял задавать ток J и напряжение V в цепи диода в пределах, соответственно, 10"6—2 А и 0,01-20 В; величины У и V измерялись мультиметрами АРРА с точностью до 0,1%. Измерения спектров проводились на светодиодах в интервале токов от 0.1 до 350 мА. Для предотвращения перегрева СД использовался пассивный радиатор, при этом температура корпуса СД в радиаторе измерялась с помощью термопары.
Экспериментальные методики, результаты которых использованы в диссертации
В первом случае значительно лучше описывается область спектра вблизи максимума, наклоны обоих спадов модельного спектра немного более крутые, чем наклоны в эксперименте. Сумма квадратичных отклонений в линейном масштабе, т, равна 0.733; а в полулогарифмическом масштабе. %g, - 8.602. Во втором случае значительно лучше описываются области спектра вдали от максимума, наклоны обоих спадов модельного спектра практически совпадают с экспериментом. Сумма квадратичных отклонений в линейном масштабе равна 7.862, а в полулогарифмическом -0.0186. Интеграл интенсивности излучения по спектру 6Wor в первом случае отличается от интеграла по экспериментальному спектру & р на 2.4%, во втором - на 7.5%.
В первом и во втором случае наклон длинноволнового спада определяется параметром Ец = 0.0592 мэВ. В первом случае значение эффективной ширины запрещенной зоны Es = 2.757 эВ, что выше положения максимума ftiUnax на 79 мэВ, т.е.на величину порядка Е$. Во втором случае Eg = 2.997 эВ, т.е. существенно выше, чем положение йй)гпах и ближе к значению ширины запрещенной зоны GaN, Eg = 3,4 эВ.
Полученные в первом случае значения Eg согласуются с результатами независимых опытов по определению ширины запрещенной зоны в МКЯ InGaN из опытов по исследованию спектров электроотражения (см. раздел 5.2, [12, 13]). Значения eU = Её + AF в обоих случаях отличаются меньше чем на кТ и близки к значению /iuWx Эти результаты можно понять следующим образом. При подборе параметров минимизацией величины а в линейном масштабе модель выделяет основную часть рекомбинации, которая идет в областях квантовых ям с меньшей шириной эффективной запрещенной зоны, определяемых флуктуациями потенциала. Эта часть составляет 85-95% от полного потока излучательной рекомбинации. Остальная часть полного потока излучательной рекомбинации определяется областями квантовых ям с большей шириной запрещенной зоны и, частично, областями барьеров между квантовыми ямами. Часть электронов с большей энергией, может перетекать через барьеры и рекомбинировать там.
При подборе параметров минимизацией величины aiog в полулогарифмическом масштабе модель придает больший вес рекомбинации в «хвостах» плотности состояний и в частях активной области структуры с большей шириной запрещенной зоны. Модель аппроксимирует спектры так, как будто активная область в целом имеет ширину запрещенной зоны, близкую к ширине запрещенной зоны GaN, а рекомбинация в МКЯ считается обусловленной некоторым флуктуационным потенциалом с сильно протяженной в длинноволновую сторону комбинированной плотностью состояний.
При такой интерпретации понятно, что разность квазиуровней Ферми eU (одинаковая по всей активной области в нашем приближении) близка к положению максимума hcom , но разность между шириной запрещенной зоны и величиной eU существенно различается в квантовых ямах и в барьерах (см. выше рис. 4.9).
Понятно, что параметр Ео, определяемый флуктуациями потенциала, должен быть больше для частей активной области, включающих барьеры, чем для основной части квантовых ям, в которых идет большая часть излучательной рекомбинации.
Величина интегральной интенсивности модельных спектров меньше интегральной интенсивности экспериментальных спектров. Это связано с тем, что при аппроксимации в линейном масштабе по интенсивности моделью не учитывается та часть излучения, которая идет в широкозонных слоях структуры. В то же время, при аппроксимации в полулогарифмическом масштабе, моделью хуже описывается часть спектра вблизи максимума. За счет наличия излучения от широкозонных частей структуры и более "пологого" вида спектров, моделью предсказывается меньшая интенсивность излучения в максимуме. Это также приводит к недооценке интегральной интенсивности спектров в рамках модели.
Аппроксимация спектров при изменении тока На рис. 5.14 показаны спектры одного из синих светодиодов при изменении тока в пределах J = 1 - 350 мА. Напряжение на диоде при этом увеличивалось от 2,671 до 3,641 В, а потребляемая мощность W = JV от 2,7 мВт до 1,27 Вт. Из этих значений, в соответствии с процедурой, описанной в пункте 4.2, была определена температура активной области светодиода в зависимости от тока, которая увеличивалась от 292 до 375 К. Показаны экспериментальные и модельные спектры, рассчитанные при двух алгоритмах подбора параметров в предположении, что Е] = кТ.
Из рисунка видно, что параметр EQ заметно увеличивается с ростом тока. Ранее во многих работах указывалось, что этот параметр для спектров люминесценции гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN имеет значения около 50-60 мэВ, но о зависимости EQ ОТ уровня возбуждения сообщений не бьио. В некоторых экспериментальных случаях величина EQ проходит через минимум в области токов вблизи 20 мА. Значение параметра Е\ задавалось равным тепловой энергии носителей в активной области кТи не варьировалось в процессе подгонки.
Ширина линии излучения на половине интенсивности определяется значениями Ео и Е\. В подавляющем большинстве случаев экспериментальная ширина меньше теоретической, вне зависимости от критерия подгонки, что связано с возможным немонотонным видом функции плотности состояний.
