WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 4 Люминесцентные и электрические свойства светодиодов InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами © В.Е. Кудряшов, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович, А.Н. Ковалев, Ф.И. Маняхин Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия.

Московский институт стали и сплавов, 117936 Москва, Россия (Получена 25 июля 1998 г. Принята к печати 28 июля 1998 г.) Исследованы спектры люминесценции светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами в диапазоне токов J = 0.15 мкА–150 мА. Сравнительно большой квантовый выход излучения при низких J (Jmax = 0.5 1мА) обусловлен малой вероятностью безызлучательного туннельного тока. Вольт-амперные характеристики J(V ) исследованы при J = 10-12-10-1 А; они аппроксимированы функцией V = k+mkT[ln(J/J0)+(J/J1)0.5]+J·Rs. Часть V (J/J1)0.5 и измерения динамической емкости свидетельствуют о влиянии i-слоев, прилегающих к активному слою. Спектры описаны моделью двумерной плотности состояний с экспоненциальными хвостами в МКЯ. По коротковолновому спаду спектра голубых диодов определено повышение T при увеличении J: T = 360-370 K при J = 80-100 мА. В зеленых светодиодах обнаружена полоса при 2.7–2.8 эВ, проявляющаяся при больших J; предлагается объяснение этой полосы разделением фаз с различным содержанием In в InGaN.

1. Введение 2. Методика экспериментов Были исследованы образцы голубых и зеленых СД на Проблемы механизмов рекомбинации в светодиооснове гетероструктур InxGa1-xN/AlyGa1-y/GaN [14, 15].

дах (СД) на основе сложных гетероструктур типа Структуры были выращены методом газофазной эпитакInGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами остаются недосации из металлоорганических соединений на сапфиростаточно понятными, несмотря на громадные успехи техвых подложках с буферным слоем AlN (30 нм). Базовый нологических разработок голубых и зеленых СД. В [1–6] слой n-GaN (45мкм) был легирован Si, на нем выращен были исследованы спектры спонтанной люминесценции активный слой — InxGa1-xN/GaN (5 периодов МКЯ, и электрические свойства СД с одиночными квантовыми период < 8нм). Покрывающий МКЯ слой p-AlyGa1-yN ямами (ОКЯ) InGaN [7, 8]. Модель учитывающая хво(50 нм) и верхний слой p-GaN (0.5 мкм) были легировасты плотности состояний, обусловленные флуктуациями ны Mg. Содержание In в квантовых ямах варьировалось;

концентрации In и границами в двумерных (2Д) структувеличина x определяла спектральную область люминесрах, хорошо описывала спектры. Большие электрические ценции, голубую (x 0.2) или зеленую (x 0.4).

поля обусловливают туннельные эффекты в этих струкСпектры удалось исследовать при малых постоянных турах [3–5, 9, 10].

токах от J = 0.1мкА (при комнатной температуре).

В дискуссии на 2-й Международной конференции по Спектры при больших токах, до J = 200 мА, исследонитридным полупроводникам [11] была показана важвались в импульсном режиме (50 Гц, 5 мкс).

ность выделения фаз в обогащенных In слоях гетероструктур. Нам неизвестны работы, в которых спектры люминесценции анализировались бы по модели, учи- 3. Экспериментальные результаты тывающей выделение фаз. В этой дискуссии, а также 3.1. Спектры люминесценции светодиодов в [12, 13], была показана важность пьезоэлектрических при постоянных токах эффектов в этих гетероструктурах.

В настоящей работе исследованы спектры люминесБыли исследованы спектры 10 голубых и ценции и электрические свойства СД на основе гете10 зеленых СД при комнатной температуре.

роструктур типа InGaN/AlGaN/GaN с множественныСпектральные максимумы при 10 мА были в интервале ми квантовыми ямами (МКЯ) [14, 15], которые были max = 2.64 + 2.67 эВ (max = 465 467 нм) для переданы в МГУ д-ром М. Койке (компания Тойода голубых и max = 2.35 2.37 эВ (max = 465 467 нм) Госей). Представлялось интересным выяснить возмождля зеленых СД. Ширина спектров на половине ность описания спектров СД моделью, учитывающей интенсивности была ( )1/2 0.21 0.23 эВ хвосты плотности состояний в 2D структурах. Важно (()1/2 = 36 38 нм). Спектры характерных СД в было понять, проявляются ли в них туннельные эффекты, широком интервале токов показаны на рис. 1, 2. Для и исследовать распределение зарядов и электрических голубого СД показаны спектры от 0.15 мкА (рис. 1), полей в структурах и рассмотреть их влияние на люми- для зеленого — от 0.5мкА (рис. 2). По-видимому, в несценцию. литературе не было публикаций спектров СД на основе 446 В.Е. Кудряшов, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович, А.Н. Ковалев, Ф.И. Маняхин ОКЯ [1–3]. В коротковолновой части спектры спадают также экспоненциально: I exp(- /E1). Параметр E1 был E1 = 40 45 мэВ для голубых и E1 > 50 мэВ для зеленых СД, т. е. заметно отличался от kT. В зеленых СД была обнаружена полоса, проявляющаяся как плечо на коротковолновом спаде спектра в области = 2.7 2.8эВ (рис. 2).

3.2. Зависимость спектров от температуры Параметр E1 в спектрах голубых СД был пропорционален температуре, как показали измерения в интервале T = 220 300 K: E1 = m · kT, m = 1.4 1.7. Спектры голубых СД при больших токах (J = 20 150 мА) показаны на рис. 3. Максимумы спектров в режиме Рис. 1. Спектры люминесценции голубого светодиода при компостоянного тока начинали сдвигаться в длинноволнонатной температуре при изменении тока от 0.5 мкА (нижняя вую область при J > 40 мА (рис. 3, a); параметр кокривая) до 50 мА (верхняя кривая). Светлыми кружками покаротковолнового спада E1 увеличивался при этом сдвиге зана аппроксимация спектров по формуле (2) при J = 5мкА максимумов. Максимумы спектров в режиме импульсных и 10 мА.

токов (50 Гц, 5 мкс) продолжали сдвигаться с током в сторону больших энергий, и параметр E1 не изменялся (рис. 3, b). Эти факты следует объяснить нагревом светодиодов при больших постоянных токах.

Рис. 2. Спектры люминесценции зеленого светодиода при комнатной температуре при изменении тока; цифры от 1 мкА (нижняя кривая) до 50 мА(верхняя кривая). Светлыми кружками показана аппроксимация спектров по формуле (2) при J = 5мкА и 10 мА.

GaN до таких малых токов при комнатной температуре.

Максимумы спектров голубых СД сдвигаются с током в интервале max = 2.57 2.67 эВ, в отличие от голубых диодов с ОКЯ, в которых максимум основной полосы не изменялся с J [1–3]. В спектрах не наблюдалось отдельной полосы в желтозеленой области, описанной в случае голубых СД с ОКЯ как туннельное излучение [3–6]. Максимумы спектров зеленых СД сдвигаются в интервале max = 2.2 2.45 эВ, более широком, Рис. 3. Спектры люминесценции голубого светодиода при чем в зеленых СД с ОКЯ [1–3]. Длинноволновая часть больших токах; a — в режиме постоянного тока; b — в режиме спектров имеет экспоненциальный спад: I exp( /E0).

импульсного тока (50 Гц, 5 мкс). Светлыми кружками показана Параметр E0 в показателе имел значения E0 4060 эВ аппроксимация спектров по формуле (2) при J = 10 и 80 мА.

для голубых и зеленых СД и при изменении тока в a — J = 10, 20, 30, 50, 80 мА; b — J = 10, 20, 30, 50, 80, широких пределах изменялся, в отличие от СД с 100, 150 мА.

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Люминесцентные и электрические свойства светодиодов InGaN/AlGaN/GaN... активную область. При больших токах, J > 20 мА, ток почти линейно растет с напряжением, что обусловлено последовательным сопротивлением Rs контактных областей.

Аппроксимация характеристик с хорошей точностью удалась тогда, когда, кроме последовательного сопротивления Rs, в формулу для J(V) был включен квадратичный член, J (V - V1)2, соответствующий моделям двойной инжекции. ВАХ в области J > 10-4 А была Рис. 4. Зависимость максимума в спектрах излучения голубого (a) и зеленого (b) СД от тока и напряжения на диоде (в режиме постоянного тока). a: 1 — max (V = U + JRs), 2 — max (U); b: 1 — max (V = U + JRs); сплошные линии — подгонка max (U).

3.3. Сдвиг спектров с увеличением напряжения Зависимость max от энергии eV (V —напряжение) показана на рис. 4. В довольно большом интервале эта зависимость линейна, но наклон зависимости много меньше единицы (в отличие от максимума полосы туннельного излучения в диодах с ОКЯ [3–6]). Этот сдвиг следует объяснить заполнением хвоста плотности состояний, обусловленного флуктуациями потенциала и электрическими полями в активном слое с МКЯ.

3.4. Вольт-амперные характеристики Вольт-амперные характеристики (ВАХ) J(V ) голубого и зеленого диода показаны на рис. 5. При малых токах, Рис. 5. a — вольт-амперные характеристики голубых (B) J < 10-7 А при 300 K, ток растет экспоненциально с и зеленых (G) светодиодов на основе гетероструктур энергией в показателе EJ 150 мэВ, эта часть харакInGaN/AlGaN/GaN с одиночными (1) и множественными теристики объясняется туннельной компонентой тока.

(2) квантовыми ямами при комнатной температуре (сплошТуннельная компонента в этих диодах на 3–4 десятичных ные кривые) и при 80 K (штриховые кривые); b — аппрокпорядка меньше, чем в СД с ОКЯ [2–5]. Затем в ин- симация ВАХ по формуле (1): штриховая линия — тервале напряжений V = 2.3-2.7 В наблюдается резкий J(V ) =J0ek/EJ e(V-JRs)/EJ, сплошная линия — с учетом члена (V - V1)2, точки —эксперимент.

экспоненциальный рост, соответствующий инжекции в Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 448 В.Е. Кудряшов, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович, А.Н. Ковалев, Ф.И. Маняхин приближена уравнением V = k + EJ[ln(J/J0) +(J/J1)0.5] +J · Rs (1) с подгоночными параметрами k (контактный потенциал), EJ (параметр инжекционной экспоненты, EJ = c·kT, c = 12), J0 (ток насыщения), J1, Rs. Результаты подгонки показаны на рис. 5. Часть ВАХ — V = EJ(J/J1)0.5 — играет существенную роль между инжекционным ростом и линейной частью характеристики, т. е. в интервале J = 2 30 мА, соответствующем рабочим токам диодов.

При понижении T до 80 K ВАХ сдвигалась в область больших напряжений, наклон туннельной экспоненты оставался неизменным; роль квадратичного члена и Rs увеличивалась так, что инжекционная экспонента не Рис. 7. Распределение концентрации заряженных центров в проявлялась так резко, как это можно было бы ожидать.

зависимости от координаты (начало координат соответствует границе n-области); точки — значения N, соответствующие отсутствию внешнего напряжения на диоде. Голубые (1, 3) и 3.5. Квантовый выход люминесценции зеленые (2, 4–6) светодиоды с одиночной (1, 2) и множественНа рис. 6 показана зависимость интеральной интен- ными (3–6) квантовыми ямами.

сивности излучения [фотон/с] и внешнего квантового выхода излучения e = e/J от тока для характерных зеленых и голубых диодов; e измерялся по методике [16].

3.6. Распределение заряженных центров Величина e достигает максимума в области сравнительРаспределение концентрации заряженных центров в но малых J, соответствующих началу инжекционного p-области структур показано на рис. 7 (см. методику участка ВАХ. Величина e падает логарифмически с измерений динамической емкости в [17]). На рисунке ростом J при больших токах (линейно — от V ).

сравниваются распределения зарядов для СД с ОКЯ и МКЯ. Диоды с ОКЯ [1–5] имеют меньшую толщину области пространственного заряда, в обоих случаях толщина области пространственного заряда для зеленых СД больше, чем для голубых. Это соответствует слабому проявлению туннельных эффектов в диодах с МКЯ. По-видимому, введение больших концентраций In в активную область структур затрудняет сильное легирование Mg p-областей и способствует образованию компенсированных областей, прилегающих к активному слою.

4. Обсуждение результатов 4.1. Аппроксимация спектров Спектры были описаны моделью, применявшейся для СД с ОКЯ [1–6]. В модели предполагается, что излучательная рекомбинация идет между электронами и дырками, инжектируемыми в квантовые ямы; напряжение на активном слое U близко к контактной разности потенциалов: U k < V.

Оптические переходы идут между состояниями E(c) и E(v) в хвостах плотности, обусловленных флуктуациями потенциала в 2D-структуре. Предполагается, что плотность состояний имеет вид -eff eff N2D( - Eg ) 1 + exp(- - Eg )/E0. (2) Рис. 6. Зависимость интегральной интенсивности (квадраты) eff Здесь Eg — эффективная ширина запрещенной зоны:

и внешнего квантового выхода (крестики) излучения от тока eff для голубого (a) и зеленого (b) светодиодов. Eg = Ec - Ev. Спектральная интенсивность пропорФизика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Люминесцентные и электрические свойства светодиодов InGaN/AlGaN/GaN... Параметры аппроксимации спектров голубого диода по форпредположить, что она является следствием крупномасмуле (3), точность значений указывается количеством знаков штабных неоднородностей — разделения фаз с разным после запятой содержанием In в InxGa1-xN. В дискуссии [11] модеe ли рекомбинации в хвостах плотности состояний и в J, мА U, В max, мэВ E0, мэВ m Fn, эВ Egff, эВ ”квантовых точках”, возникающих из-за неоднородного 50 3.108 2.683 65.07 1.375 -0.171 2.распределения In, обсуждались как альтернативные. По20 3.049 2.680 61.45 1.327 -0.196 2.видимому, наши результаты показывают, что реализу10 2.982 2.657 60.42 1.321 -0.183 2.ются обе эти возможности. Предположение надо про5 2.921 2.647 59.61 1.331 -0.167 2.верить, сопоставив спектры люминесценции с данными 2 2.841 2.644 58.74 1.342 -0.140 2.электронной микроскопии и вторичной ионной эмиссии 1 2.787 2.633 59.80 1.339 -0.140 2.о структуре слоев МКЯ.

0.5 2.712 2.637 58.41 1.368 -0.129 2.0.2 2.644 2.632 54.61 1.469 -0.152 2.0.1 2.602 2.624 45.75 1.576 -0.115 2.4.3. Роль компенсированных областей 0.05 2.564 2.626 40.27 1.440 -0.112 2.и максимум квантового выхода 0.02 2.512 2.606 36.97 1.384 -0.111 2.0.01 2.471 2.610 36.74 1.358 -0.112 2.Вопрос о максимуме e в зависимости от тока представляется важным. Он связан с числом квантовых ям и особенностями распределения зарядов в разных гетероструктурах. Максимум e объясняется тем, что циональна функции заполнения состояний вблизи Ec и при малых J сказываются туннельные безызлучательные Ev, функции зависят от квази-уровней Ферми Fn и Fp, каналы рекомбинации. При увеличении J электроны, Fn - Fp = eU (детали в [5]):

инжектируемые в слой МКЯ, его заполняют; это — eff область экспоненциального роста J и максимума e. При I( ) N2D( - Eg ) fc(, m, kT, Fn) дальнейшем увеличении J электроны частично перетекают в прилегающий i-слой (см. аналогичную модель (1 - fv(, m, kT, Fp));

в [19]), они вытягиваются туда электрическим полем. Об 1 < m < 2. (3) этом свидетельствует квадратичный член ВАХ.

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.