WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 4 Исследование статистики носителей в светодиодных структурах InGaN / GaN ¶ © Д.С. Сизов, В.С. Сизов, Е.Е. Заварин, В.В. Лундин, А.В. Фомин, А.Ф. Цацульников, Н.Н. Леденцов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 5 июля 2004 г. Принята к печати 12 июля 2004 г.) Исследована статистика носителей в светодиодных структурах с многослойными сверхтонкими внедрениями InGaN в матрице GaN. Оптические данные свидетельствуют о формировании в исследованных структурах массива квантовых точек, имеющих разброс по размерам, что приводит к неоднородному уширению энергетического спектра носителей, локализованных в квантовых точках. Показано, что, несмотря на слабый транспорт носителей между квантовыми точками, при температурах порядка комнатной и выше носители распределяются на уровнях массива квантовых точек квазистатистически. Это позволяет описывать процессы инжекции и рекомбинации носителей в исследованных приборных структурах с позиции квазиуровней Ферми для электронов и дырок.

1. Введение сравнению с КТ. Однако есть данные [1], что высота этих барьеров значительна.

На сегодняшний день структуры на основе Поскольку глубина локализации может в несколько InGaN / GaN широко используются в промышленности раз превосходить характерную величину kbT (kb —подля создания светоизлучающих приборов (светодиодов стоянная Больцмана, T — температура) для комнатной и лазеров) видимого диапазона. Для выращивания температуры, остается открытым вопрос о статистике приборных структур на базе нитрида галлия наиболее распределения носителей на локализованных уровнях часто применяются сапфировые подложки по причине КТ. Как показано в работе [4], для структур, излучающих относительной дешевизны их производства. Сильное в ультрафиолетовом диапазоне, при увеличении темперассогласование параметров кристаллической решетки ратуры от 80 до 300 K наблюдается уменьшение относапфировой подложки и растущего слоя приводит к сительной интенсивности коротковолнового края линии возникновению большого числа прорастающих дефектов фотолюминесценции (ФЛ) и значительное уменьшение (дислокаций, границ доменов), которые негативно интегральной интенсивности излучения, что указывает сказываются на оптических свойствах структуры, так как на увеличение термического выброса носителей из КТ являются каналами безызлучательной рекомбинации.

с последующим их захватом на центры безызлучательОднако влияние дефектов на эффективность излучения ной рекомбинации. В работе [5] исследовалось влияние можно уменьшить за счет ограничения транспорта внешнего электрического смещения на ФЛ светодиодносителей [1,2]. Было показано, что при осаждении ных структур, излучающих в синем диапазоне, т. е. характонких слоев InGaN типичен фазовый распад твердого теризующихся более сильной локализацией носителей раствора, а также возникновение флуктуаций толщины по сравнению с предыдущим случаем. Было показано, слоя, приводящие к формированию квантовых точек что при низких температурах смещение слабо влияет (КТ) в структурах. Благодаря такой особенности на интенсивность ФЛ. При повышении температуры до широкозонных полупроводниковых соединений, как 100 K влияние внешнего смещения становится во много большая величина энергии разрывов зон, а также раз сильнее. Эти данные свидетельствуют о быстром заналичию сильных встроенных полей на гетерограницах хвате носителей на КТ InGaN при низких температурах, глубина локализации электронно-дырочной пары (т. е.

а также о наличии при более высоких температурах терсумма энергий локализации электронов и дырок) мически активированных, делокализованных носителей может превосходить энергию в 1 эВ. Таким образом, в матрице, которые разделяются полем p-n-перехода.

благодаря сильной трехмерной локализации носителей Приложение обратного смещения увеличивает раздена уровнях размерного квантования в КТ InGaN / GaN ляющее поле, что обедняет активную область и тем подавляется безызлучательная рекомбинация, что дает самым уменьшает эффективность ФЛ. В работе [6] была возможность получать эффективные светоизлучающие развита теория поведения носителей на уровнях КТ и приборы [3] даже при плотности дислокаций 109 см-2.

матрицы с учетом неоднородного распределения КТ по Недостаточно хорошо изученным остается вопрос о размерам (значит, положений уровней размерного кванвысоте барьеров, ограничивающих движение носителей тования), а также температурного выброса носителей в латеральном направлении (т. е. в плоскости слоя с этих уровней в матрицу. Показано, что в случае, InGaN), создаваемых областями InGaN с меньшим если температура превышает некую характерную для содержанием In и большей запрещенной зоной по данной системы температуру, распределение носителей ¶ E-mail: Dsizov@pop.ioffe.rssi.ru на уровнях КТ описывается законом Ферми, при этом Исследование статистики носителей в светодиодных структурах InGaN / GaN рассматриваются квазиуровни Ферми для коллектива 3. Результаты и обсуждение электронов и для коллектива дырок. Такая модель ранее была применена для описания поведения носителей в КТ На рис. 1 приведены спектры ФТ и спектры ФЛ в системе InGaAs / GaAs, сформированных по механизму структур с различной концентрацией In в слоях InGaN.

Странского–Крастанова [7]. В работе [7], в частности, Известно, что увеличение концентрации In приводит к показано, что в рассматриваемой системе повышение увеличению длины волны излучения за счет большей температуры приводит к увеличению концентрации деглубины локализации носителей относительно матрицы локализованных носителей и их безызлучательной реGaN, что в свою очередь может быть связано как с комбинации на дефектах в матрице. Таким образом, увеличением глубины квантовой ямы (КЯ) InGaN, так и повышение температуры делает КТ более чувствительс увеличением глубины локализации носителей в КТ отными к наличию безызлучательных каналов в матрице.

носительно КЯ. Глубину локализации носителей в КТ отВ настоящей работе исследована статистика носитеносительно КЯ можно оценить, исследуя величину стоклей в структурах с КТ InGaN / GaN и показано, что сова сдвига [8] — разности между энергиями фотонов, при температурах порядка комнатной и выше термисоответствующих максимуму излучения и началу полоческая активация происходит быстрее рекомбинации гого участка на кривой фототока (пунктирные кривые на носителей, что соответствует случаю квазиравновесного рис. 1). Данное рассмотрение основано на том, что при статистического распределения носителей между КТ и достаточно большой скорости термической активации и остаточной КЯ InGaN. Этот факт позволяет в некотором экстракции электронов и дырок, фотоиндуцированных в приближении описывать систему с позиции рассмотреактивной области (когда можно пренебречь спонтанным ния квазиуровней Ферми. В то же время в случае КТ переизлучением), форма спектра фототока определяется с большой глубиной локализации возможно заметное произведением плотности состояний в КТ на интеграл отклонение от равновесия. Данные, касающиеся этой перекрытия волновых функций электронов и дырок в проблемы, будут представлены в последующих работах.

КТ. В то же время в случае эффективного трансНами также изучено влияние центров безызлучательной рекомбинации на эффективность ФЛ при различных температурах. Кроме того, подробно исследовано влияние внешнего смещения на статистику носителей вблизи активной области.

2. Эксперимент Структуры были выращены методом MOCVD (газофазной эпитаксии из металлорганических соединений) на установке AIX 2000-HT. В исследованных структурах активная область выращивалась на буферном слое GaN и состояла из нескольких слоев InGaN толщиной 3 нм, разделенных барьерными слоями GaN, легированными кремнием. Структуры исследовались методами ФЛ, электролюминесценции (ЭЛ) и методом спектроскопии фототока (ФТ). Ряд структур был выращен специально для исследования методом ФЛ. В таких структурах активная область заращивалась слоем GaN толщиной 50 нм и тонким слоем AlGaN для предотвращения утечки носителей на поверхность. В светодиодных структурах активная область была заключена в p-n-переход, при этом n-слой легировался кремнием, а p-слой был легирован магнием. Светодиодные структуры также исследовались методом ФЛ, причем ФЛ светодиодных структур возбуждалась и детектировалась с поверхности структуры, а для приложения внешнего смещения использовался полупрозрачный p-контакт NiAu. Для возбуждения фотолюминесценции применялся HeCd-лазер, Рис. 1. Спектры фотолюминесценции (сплошные кривые) работающий в постоянном режиме, а также импульсный и фототока (штриховые) для структур с различной средней N2-лазер с длительностью импульса 10 нс. Для возбужконцентрацией In в активной области (концентрация In уведения фототока применялась газоразрядная ксеноновая личивается сверху вниз) и с различной энергией локализации.

лампа.

T = 300 K.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 494 Д.С. Сизов, В.С. Сизов, Е.Е. Заварин, В.В. Лундин, А.В. Фомин, А.Ф. Цацульников, Н.Н. Леденцов порта носителей, вызванного термической активацией, распределены на уровнях размерного квантования квазаселенными оказываются состояния КТ с наибольшей зистатистически. Другим объяснением этого явления энергией локализации (с учетом термостатистического может быть возможная туннельная экстракция носираспределения). С другой стороны, когда энергия ло- телей, которая не должна зависеть от температуры.

кализации превышает некоторое критическое значение, Данные, помогающие объяснить наблюдаемый эффект, термический выброс из столь глубоко локализованных будут рассмотрены далее.

состояний будет маловероятен [6], что приведет к иным Как уже отмечалось, термическое заселение возбужзакономерностям положения максимума излучения и денных уровней КТ InGaN приводит к увеличению форме спектра ФТ. Таким образом, результат оцентранспорта носителей (в том числе к центрам безызки глубины локализации носителей в КТ посредством лучательной рекомбинации), а также к уменьшению рассмотрения стоксова сдвига зависит от статистики крутизны спада коротковолнового края в спектре ФЛ.

носителей.

При малой плотности накачки ( 1Вт/ см2) уровни В исследованной серии структур наибольшая лока- слабо заселены, и в случае статистического распределизация носителей, как предполагалось, реализуется в ления система близка к равновесию. В таком случае, структуре с длиной волны излучения 460 нм: данная если полагать время излучательной рекомбинации сластруктура характеризуется максимальной длиной волны бо зависящим от энергии перехода [9], коротковолноизлучения и максимальным значением стоксова сдвига.

вый край линии ФЛ должен описываться законом [4].

Нами исследованы оптические свойства такой структуры I = Ap(E) exp(-E/kbT ), где I — интенсивность излус целью выяснения статистики захвата и выброса носи- чения, A — константа, а функция p(E) представляет телей. Для исследования методом ФЛ была выращена собой отношение плотности состояний с соответствуструктура с идентичной активной областью, но без p-n-перехода.

Обе структуры имеют одинаковую длину волны и одинаковую ширину линии излучения ФЛ. На рис. приведены спектры фототока и спектры ФЛ для светодиодной и оптической структур соответственно. В спектрах ФЛ хорошо видна синусоидальная модуляция, связанная с интерференцией света в резонаторе Фабри– Перо, образованном гетерограницей эпитаксиального слоя и сапфировой подложкой, а также поверхностью эпитаксиального слоя. Модуляция менее заметна в спектрах фототока из-за меньшей разрешающей способности соответствующего спектрометра. С увеличением температуры фототок увеличивается, а интенсивность ФЛ уменьшается. Данный результат объясняется исходя из представления о том, что с увеличением температуры возрастает концентрация делокализованных носителей.

Это, с одной стороны, увеличивает эффект безызлучательной рекомбинации, так как способствует захвату носителей безызлучательными ловушками, а с другой стороны, делокализация носителей способствует разделению их полем p-n-перехода. Важно, однако, отметить, что при увеличении температуры форма края фототока не меняется в пределах погрешности измерений (в то время как край смещается в длинноволновую сторону, что связано с уменьшением энергии запрещенной зоны). Этот результат свидетельствует о том, что в локализованных состояниях происходит эффективная термическая активация, т. е. электронно-дырочная пара, рожденная на уровнях с любой глубиной локализации (в пределах изучаемого диапазона), переходит в матрицу и разделяется p-n-переходом быстрее, чем успевает рекомбинировать. Такая ситуация реализуется в случае, Рис. 2. Спектры фототока (PC) и фотолюминесценции (PL) если время излучательной рекомбинации оказывается для структур с КТ при комнатной температуре и выше.

много больше времени термической активации или Стрелками подчеркивается увеличение фототока и уменьшефононной релаксации, иными словами, если носители ние интенсивности фотолюминесценции с температурой.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Исследование статистики носителей в светодиодных структурах InGaN / GaN накачки выше 144 Вт / см2 наблюдается смещение линии в коротковолновую сторону и увеличение ее ширины.

Такое изменение формы спектра обусловлено заполнением возбужденных уровней в КТ, а также заполнением КТ с меньшей глубиной локализации. В случае фермиевского распределения носителей по состояниям массива КТ насыщение глубоко локализованных состояний приводит к заселению локализованных состояний с меньшей глубиной локализации, что соответствует повышению положения квазиуровня Ферми для электронов и понижению квазиуровня Ферми для дырок.

Поскольку величина фототока, пропорциональная p(E), увеличивается с увеличением энергии перехода, такое смещение квазиуровней Ферми приводит к увеличению числа состояний, вовлеченных в излучательный процесс. Время излучательной рекомбинации для подобных Рис. 3. Сопоставление экспериментальных спектров фотолюструктур обычно составляет величину 10-9 с. Зная минесценции (PL) (сплошные кривые) и аппроксимационного плотность накачки, при которой начинается изменение расчета (штриховые) в области коротковолнового края.

формы спектра ФЛ, можно оценить плотность состояний в КТ: плотность состояний оказывается равной по порядку величины 1012 см-2, что согласуется с данными просвечивающей электронной микроскопии по плотности КТ в аналогичных структурах [1].

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.