WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 3 Определение коэффициента ослабления света в тонких слоях светодиодных структур © А.А. Ефремов¶, Д.В. Тархин, Н.И. Бочкарева, Р.И. Горбунов, Ю.Т. Ребане, Ю.Г. Шретер Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 194251 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 29 августа 2005 г. Принята к печати 12 сентября 2005 г.) Предложена методика определения коэффициента ослабления света в тонком GaN-слое на основе измерений интенсивности электролюминесценции вдоль и поперек слоя. Получена величина коэффициента ослабления света 90 ± 15 см-1 в GaN-слое светодиодной InGaN-структуры.

PACS: 85.60.Jb, 78.60.Fi, 78.66.Fd 1. Введение риментов по пропусканию света. Полученное значение коэффициента поглощения света с длиной волны 465 нм Исследованию голубых светодиодов на основе InGaN равнялось 150 нм-1. Помимо описанных работ различпосвящено большое количество публикаций [1,2]. Одные значения коэффициентов поглощения и методики их нако ряд вопросов остается нерешенным, в том числе измерения можно найти в работах [7,8].

вопрос об увеличении выхода света из светодиодов.

Как видно, имеется сильный разброс значений коВ связи с этим представляет интерес определение коэффициента ослабления, определенных в различных эффициента ослабления света (), генерируемого в этих работах. Стоит отметить, что приведенные в работах структурах.

методики измерений достаточно трудоемки или требуют Под коэффициентом ослабления подразумевается сумспециального оборудования.

марный коэффициент поглощения и рассеяния света. На Нами разработана простая методика определения коданный момент нет ясности, какая доля световых потерь эффициента ослабления света в тонких слоях светодиодвнутри материала приходится на рассеяние, а какая на ных структур на основе измерения интенсивности света поглощение света. В ряде работ говорится только о вдоль и поперек слоя. Определен коэффициент ослаблекоэффициенте поглощения света внутри слоя GaN. Одния света для исследуемой светодиодной структуры.

нако с учетом большого количества дефектов в пленках GaN, рассеяние света также может давать существенный вклад в общие потери света в светодиоде.

2. Методика эксперимента Так, в работе [3] методом фототоков в диапазоне длин волн 403-433 нм исследовался коэффициент поглощеВ работе исследовались неупакованные светодиодные ния InGaN/GaN-структуры. По результатам измерений, структуры с InGaN/GaN-квантовой ямой шириной 30, коэффициент поглощения света рассчитывается на основыращенные методом MOCVD на сапфировых подложвании двух моделей. В первой модели считалось, что ках и люминесцирующие на длине волны 465 нм. Детали основным механизмом потерь является рассеяние, а во второй — поглощение света внутри слоя GaN. Значения коэффициента поглощения света, полученные в этой работе, составили 4 см-1 для модели поглощения и 7 см-для модели рассеяния света. В работе также отмечается, что коэффициент поглощения света в данном диапазоне длин волн постоянен.

В работе [4] исследовалось поглощение в тонких пленках GaN, выращенных на сапфировых подложках, в диапазоне энергий фотонов 0.6-3.8 эВ. Согласно этой работе, коэффициент поглощения света на длине волны 465 нм составляет 40 см-1.

В работе [5] исследовались InGaN/GaN-лазерные диоды, излучающие на длине волны 407 нм, и рассчитанное значение коэффициента ослабления света составило 54 см-1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 —светодиВ работе [6] приводятся рассчитанные значения коэфодная структура, 2 — контактные распорки, 3 —диафрагма фициента поглощения в пленке GaN на основе экспедиаметром 1.8 мм, 4 — кремниевый фотодиод, 5 — усилитель, ¶ E-mail: eartm@mail.ru 6 — графопостроитель.

Определение коэффициента ослабления света в тонких слоях светодиодных структур структуры приведены в [9]. Размеры светодиодной структуры 340340 мкм. К контактам светодиодной структуры, как показано на рис. 1, приваривались золотые проволочки диаметром d = 20 мкм. На этих проволочках структура закреплялась в подвешенном состоянии на контактных распорках и прикреплялась к синхронному двигателю таким образом, чтобы ось симметрии светодиодной структуры совпадала с осью вращения двигателя (рис. 1). При таком способе монтажа светодиодная структура подвешена в воздухе и лишена основного канала отвода тепла через кристаллодержатель. Для уменьшения влияния саморазогрева структуры измерения проводились на рабочем токе 4 мА. В качестве фотоприемника использовался кремниевый фотодиод (ФДУК2У) с чувствительностью 0.2 А/Вт при длине волны = 465 нм и с диафрагмой диаметром 1.8 мм. ФотоприРис. 2. Экспериментальная зависимость интенсивности выхоемник помещался на расстоянии 60 мм от исследуемого да света из светодиодной структуры от угла.

светодиода, что обеспечивало угловое разрешение 1.8.

Сигнал с фотоприемника через усилитель постоянного тока (Ф116/2) подавался на графопостроитель.

визуальная выборка среди сотни образцов с целью выбора структуры с торцами, наиболее приближенными к правильной прямоугольной форме. Несмотря на выбор3. Результаты измерений ку, присутствие небольшой асимметрии в распределении света со стороны сапфира обусловлено небольшими Из обзора литературы видно, что значение коэффисколами и неровностями торцов исследуемой струкциента ослабления имеет сильный разброс значений туры. Влиянием сколов также объясняется различие в пределах от 4 до 150 см-1. Цель эксперимента соинтенсивностей выхода света через противоположные стояла в определении коэффициента ослабления для торцы исследуемой светодиодной структуры. Небольшой генерируемого в светодиодной структуре света. Идея провал при 30 определяется тенью от контактной эксперимента основана на том, что свет при выхораспорки (рис. 1), к которой крепится светодиодная де из светодиодной структуры в разных направлениях структура.

проходит различное расстояние внутри светодиодной структуры. При выходе по нормали к активному слою через переднюю поверхность, свет проходит через слой 4. Обсуждение результатов p-GaN толщиной всего 250 нм, в то время как при Рассмотрим упрощенную двумерную модель светодипрохождении света вдоль структуры по нормали к торцу одной структуры, состоящей из сапфировой подложки расстояние, преодолеваемое светом, значительно больтолщиной 100 мкм, слоя GaN толщиной 2.5 мкм со ше. Основываясь на этом рассуждении, была поставлена встроенным тонким активным слоем и полупрозрачного задача в измерении интенсивности света, вышедшего по металлического контакта (рис. 3). Считаем, что сечение нормали к верхней поверхности и к торцу InGaN/GaNсветодиодной структуры имеет идеальную прямоугольсветодиодной структуры, и на основании полученных ную форму. Генерация света происходит в активном данных рассчитать коэффициент ослабления света. В цеслое, находящемся в 250 нм от верхней границы GaN.

лях увеличения точности измерений снималось полное Предполагая, что дырки находятся на дне основной 4-угловое распределение интенсивности света, из котоподзоны в квантовой яме, и используя правила отбора рого впоследствии брались искомые значения.

для межзонных переходов [10], можно положить, что Результаты измерений угловой зависимости интенсив3/4 генерируемого света имеет TE-поляризацию и сфериности электролюминесценции приведены на рис. 2.

ческую диаграмму направленнности, а 1/4 генерируемоФорма кривой, изображенной на рис. 2, легко объясго света имеет TM-поляризацию и следующую функцию нима. Вверх через слой p-GaN света выходит меньше, распределения по углу:

чем вниз через сапфир, так как сказывается поглощение света в полупрозрачных и усиленных контактах, нанеITM = cos2. (1) сенных поверх GaN-слоя. Уменьшение интенсивности света к торцам структуры объясняется поглощением и Угол отсчитывается от нормали к активному слою, рассеянием света при прохождении внутри GaN-слоя.

направления = 90 и 270 параллельны активному Также стоит отметить, что торцы отдельных светоди- слою. Таким образом, поперек слоя распространяется одных структур имеют сколы и неровности различных свет с TM- и TE-поляризациями и интенсивностью I0, размеров, возникающие при технологическом скайбиро- а вдоль слоя только свет с TE-поляризацией и интенсиввании исследуемых структур. Нами была произведена ностью 0.75 I0.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 382 А.А. Ефремов, Д.В. Тархин, Н.И. Бочкарева, Р.И. Горбунов, Ю.Т. Ребане, Ю.Г. Шретер выражение:

nGaN -dI2 = 0.75I0 exp -(L - x) (1 - R) dx. (4) nair Числовой коэффициент указывает на то, что в направлении по нормали к боковой поверхности свет распространяется только с TE-поляризацией. Тогда выход излучения I2 через боковую поверхность структуры находится интегрированием выражения (4) с пределами интегрирования от 0 до L. Итоговое выражение для Iвыглядит следующим образом:

nGaN -Рис. 3. Двумерная модель светодиодной структуры.

I2 = 0.75I0 1 - exp(-L (1 - R) -1. (5) nair Далее запишем отношение I2/I1:

Пусть I0 — поток излучения, приходящийся на бес 0.75 1 - exp(-L) Iконечно малый телесный угол, генерируемый в эле=. (6) I1 L менте dx активного слоя. Ограничимся рассмотрением двух потоков излучения I1 и I2, выходящих по нормали Полученное выражение является функцией коэффицичерез верхнюю и боковую поверхности нашей модели ента ослабления света. Строго говоря, этот коэффициент соответственно.

ослабления определен для света, распространяющегоПусть dI1 — поток излучения, выходящий в единичся вдоль слоя светодиодной структуры. В принципе, ном телесном угле по нормали через верхнюю поверхкоэффициент ослабления света поперек слоя может ность. На своем пути dI1 проходит через тонкий слой отличаться от коэффициента ослабления вдоль слоя, наGaN, границу GaN с полупрозрачным металлическим пример, из-за анизотропии в распределении дислокаций.

контактом, которая имеет коэффициент отражения R, и Рассмотрим два предельных случая слабого (L 1) сам полупрозрачный металлический контакт с коэффии сильного (L 1) ослабления. В случае L 1 из (6) циентом пропускания. В силу малой толщины полуследует, что отношение потоков I2/I1 = 0.75/. Это прозрачного контакта будем считать, что коэффициент значит, что при малом ослаблении света для рассмототражения определяется отражением от границы GaN– рения в дальнем поле без учета поляризации и поглощевоздух. Тогда для потока излучения dI1 можно записать ния света в полупрозрачном металлическом контактном следующее выражение:

слое потоки I1 и I2 должны быть равны. В случае L 1 отношение I2/I1 = 0, что означает отсутствие nGaN -выходящего через боковую поверхность света.

dI1 = I0(1 - R) dx. (2) nair Несложно заметить, что полученное выражение применимо и для аналогичной трехмерной модели. ТеоретиВ этом выражении мы пренебрегли ослаблением света ческая зависимость I2/I1, рассчитанная по формуле (6), в слое GaN в силу малой толщины слоя. Множитель (nGaN/nair)2 вводится как коэффициент пропорциональности между телесными углами выхода света в слое GaN и на воздухе. Поток I1, выходящий по нормали через верхнюю поверхность, находится интегрированием по длине структуры от x = 0 до x = L, где L — длина структуры. Итоговое выражение выглядит следующим образом:

nGaN -I1 = I0(1 - R) L. (3) nair Поток излучения I2 на своем пути проходит вдоль слоя GaN и через границу GaN — воздух. Выделим участок dx (рис. 3), из которого в направлении по нормали к боковой поверхности в единичном телесном угле генерируется поток света I0. Учитывая ослабление света при прохождении расстояния (L - x) вдоль слоя GaN до боковой стенки структуры, а также отражение на Рис. 4. Теоретическая зависимость I2/I1 от коэффициента границе GaN — воздух, можно записать следующее ослабления света, рассчитанная по формуле (6).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Определение коэффициента ослабления света в тонких слоях светодиодных структур представлена на рис. 4. Длина структуры в нашем Список литературы случае равнялась 340 мкм. Значение для коэффициента [1] S. Nakamura, S.F. Chichibu. Introduction to Nitride Semiпропускания света в полупрозрачном металлическом conductor Blue Lasers and Light Emitting Doides (N.Y., контакте светодиода было измерено и составило 0.81.

Taylor & Francis, 2000).

Данное выражение может быть применено для опре[2] H. Morkoc. Nitride Semiconductors and Devices [Springer деления коэффициента ослабления реальной структуры Ser. Mater. Sci., 32] (Springer, Berlin, 1999).

при условии оценки неточностей, допущенных при его [3] S. Schad, B. Neubert, C. Eichler, M. Scherer, F. Habel, получении.

M. Seyboth, F. Scholz, D. Hofstetter, P. Unger, W. Schmid, В полученном выражении не учтено многократное C. Kamutsch, K. Streubel. J. Lightwave Technol., 22, отражение от границ структуры, которое в действи(2004).

тельности имеет место. По нашим оценкам, оно суще[4] O. Ambacher, W. Rieger, P. Ansmann, H. Angerer, T.D. Mousственно не влияет на выход света, так как большая takas, M. Stutzman. Sol. St. Commun, 97 (5), 365 (1996).

часть отраженного света поглощается и рассеивается в [5] S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahma, N. Iwasa, T. Yamada, слое GaN. Также стоит отметить, что в эксперименте T. Matsushita, Y. Sugimoto, H. Kiyoku. Appl. Phys. Lett., 69, 1568 (1996).

интенсивность измерялась в телесном угле с углом [6] D. Brunner, H. Angerer, E. Bustarret, F. Freudenberg, R. Hopпри вершине 1.8. По нашим оценкам, это приводит к ler, R. Dimitrov, O. Ambacher, M. Stutzmann. J. Appl. Phys., погрешности в несколько процентов. В модели также 82, 5090 (1997).

не учтено наличие контактной сетки (усиленных контак[7] J.F. Muth, J.H. Lee, I.K. Shmagin, R.M. Kolbas, H.C. Caтов), однако в исследуемых нами образцах под контакsey, jr., B.P. Keller, U.K. Mishra, H. Amano, N. Watanabe, тами генерация света отсутствовала, и, следовательно, N. Koide, I. Akasaki. Appl. Phys. Lett., 71, 2572 (1997).

наличие усиленных контактов не вносило погрешности в [8] H. Amano, N. Watanabe, N. Koide, I. Akasaki. Jpn. J. Appl.

наш эксперимент. Наличие сколов и неровностей, имеюPhys., 32, L1000 (1993).

щих место на торцах реальных структур, также вносило [9] Y.T. Rebane, N.I. Bochkareva, V.E. Bougrov, D.V. Tarkhin, погрешность в исходные данные. Исходя из набранной Y.G. Shreter, E.A. Girnov, S.I. Stepanov, W.N. Wang, статистики эксперимента данная погрешность может P.T. Chang, P.J. Wang. Proc. SPIE, 4996, 113 (2003).

быть в пределах 10-15%. Учитывая вышеописанное, [10] Л.Е. Воробьев, Л.Е. Голуб, С.Н. Данилов, Е.Л. Ивченко, выражение (6) применимо для оценки коэффициента Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин. Оптические явления в полупроводниковых квантово-размерных структурах ослабления света реальной светодиодной структуры, (СПб., изд-во СПбГТУ, 2000).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.