WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 5 Туннельно-рекомбинационные токи и эффективность электролюминесценции InGaN/GaN светодиодов ¶ + © Н.И. Бочкарева, E.A. Zhirnov, А.А. Ефремов, Ю.Т. Ребане, Р.И. Горбунов, Ю.Г. Шретер Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Department of Physics, Bath University, UK + Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 194251 Санкт-Петербург, Россия (Получено 29 июня 2004 г. Принята к печати 12 июля 2004 г.) Механизм инжекционных потерь в светодиодах p-GaN/InGaN/n-GaN с квантовой ямой анализируется с помощью измерений температурных и токовых зависимостей внешней квантовой эффективности в области температур 77–300 K, а также измерений переходных токов. Результаты интерпретируются на основе туннельно-рекомбинационной модели избыточного тока, включающей туннелирование электронов сквозь потенциальный барьер в n-GaN и термическую активацию дырок над барьером в p-GaN. При малых прямых напряжениях доминирует захват электронов на состояния гетерограницы InGaN/p-GaN. Избыточный ток резко увеличивается с напряжением при росте плотности дырок на границе InGaN/p-GaN и рекомбинации их с захваченными электронами. Туннельно-рекомбинационный ток ограничивает инжекцию носителей заряда в квантовую яму и является причиной снижения эффективности при высоких плотностях тока и низких температурах. Пиннинг уровня Ферми связывается с декорированием гетерограниц, границ зерен и дислокаций примесными комплексами.

1. Введение наблюдается только в области больших токов, J 1мА.

Напротив, в области малых токов, J 50 мкА, эффекОдной из проблем при изготовлении светодиодов на тивность увеличивается при понижении температуры.

основе GaN является увеличение квантового выхода Результаты измерений интерпретируются на основе электролюминесценции при высоких уровнях инжекции. туннельно-рекомбинационной модели протекания тока Обычно в светодиодах максимальная внешняя кванто- через гетероструктуру. Модель включает туннелирование электронов сквозь потенциальный барьер в n-GaN, вая эффективность наблюдается при небольших токах, их захват на локализованные состояния гетерограницы 0.1–1 мА, и при рабочем токе 20 мА она заметно падаInGaN/p-GaN и рекомбинацию с дырками, термически ет [1]. Аномальное уменьшение эффективности электроактивированными над барьером в p-GaN. При малых люминесценции наблюдалось также при температурах напряжениях доминирует захват электронов. Туннельнониже 150 K для токов инжекции J > 100 мкА [2–4], тогда рекомбинационный ток резко увеличивается при росте как эффективность фотолюминесценции при охлаждеплотности дырок на гетерогранице с напряжением. Пиннии возрастала [3].

нинг уровня Ферми на гетерогранице с высокой плотВ литературе существуют различные точки зрения ностью состояний ограничивает инжекцию носителей относительно механизмов ограничения квантового вызаряда в квантовую яму и является основной причиной хода и потерь на безызлучательную рекомбинацию в снижения эффективности при больших токах и низсветодиодах на основе GaN. Падение эффективности с ких температурах. Наиболее вероятными источниками ростом уровня инжекции объясняется, например, уменьглубоких состояний, ответственных за пиннинг уровня шением захвата носителей заряда в квантовую яму Ферми на гетерогранице InGaN/GaN, представляются InGaN и инжекцией электронов в p-GaN „над“ квантопримесные комплексы на гетерогранице и дислокациях.

вой ямой [1]. В качестве возможных причин уменьшения эффективности GaN-светодиодов при охлаждении обсу2. Эксперимент ждались захват носителей заряда в хвосты плотности состояний [2] или на локализованные состояния [3], а Исследовались голубые светодиоды p-GaN/InGaN/ также увеличение скорости дрейфа инжектированных в n-GaN с квантовой ямой в p-i-n-структуре с активp-GaN электронов, вызванное вымораживанием дырок и ным слоем InxGa1-x N толщиной 30, изготовленные увеличением электрического поля в p-GaN [4].

методом газофазной эпитаксии из металлорганических В данной работе для анализа механизма инжекционсоединений (МОСVD). Детали структуры светодиода ных потерь в GaN-светодиодах проведены температурприведены в [5].

ные измерения тока и эффективности электролюминесВольт-амперные (J-U) и вольт-яркостные (L-U) ценции в области температур T = 77-300 K, а также характеристики изучены в области температур измерения переходных токов. Обнаружено, что аноT = 77-300 K. Проведены также измерения темпемальное уменьшение эффективности при охлаждении ратурных зависимостей емкости, C(T ), тока, J(T ), и ¶ E-mail: n.bochkareva@mail.ioffe.ru эффективности электролюминесценции, ext(T ).

8 628 Н.И. Бочкарева, E.A. Zhirnov, А.А. Ефремов, Ю.Т. Ребане, Р.И. Горбунов, Ю.Г. Шретер в районе 150 и 250 K. C ростом напряжения область слабой температурной зависимости тока расширяется в область низких температур.

Зависимости эффективности электролюминесценции от тока. На рис. 3 представлены токовые зависимости эффективности электролюминесценции. При комнатной температуре кривая ext(J) имеет максимум вблизи 2–4 мА. При понижении температуры максимум кривой ext(J) сдвигается в область меньших токов. Таким образом, наблюдается тенденция: эффективность при низких температурах при больших токах приближается к величине эффективности при комнатной температуре при малых токах.

Рис. 1. Температурные зависимости эффективности электролюминесценции голубого светодиода при постоянном прямом токе. J, мА: 1 —4 · 10-4, 2 —10-3, 3 —2 · 10-3, 4 —10-2, 5 —3 · 10-2, 6 —0.1, 7 —0.4, 8 — 20.

Переходные токи светодиодов исследовались в режиме прямоугольных импульсов прямого напряжения с амплитудой 0.3–3.2 B, длительностью 1–100 мкс и частотой следования 1 кГц. Начальный ток задавался включенными последовательно с диодом сопротивлениями: ограничивающим ток сопротивлением R1 = 1кОм и сопротивлением нагрузки R2 = 100 Ом. Напряжение на сопротивлении нагрузки, пропорциональное переходному току, анализировалось бокскаринтегратором BCI-280. Кинетика переходного тока в интервале времеРис. 2. Температурные зависимости прямого тока светодиода ни 10 нс — 30 мкc после фронта импульса и зависимости при постоянном напряжении. U, B: 1 —2.7, 2 —2.9, 3 — 3.12, переходного тока при постоянной задержке от импульс4 —3.5, 5 — 4.05.

ного напряжения смещения измерялись стробированием импульсов напряжения на нагрузочном сопротивлении при длительности строба 10–400 нс с накоплением числа n импульсов для улучшения отношения сигнал/шум (n = 8-128).

Температурные зависимости эффективности электролюминесценции. На рис. 1 приведены температурные зависимости эффективности излучения светодиода ext = L/J, измеренные при различных токах светодиoда.

При токах 0.4-10 мкА эффективность увеличивается с понижением температуры. Наиболее значительное увеличение эффективности наблюдается при охлаждении ниже 150 K. При увеличении тока наблюдается противоположная тенденция: эффективность уменьшается при охлаждении, причем при T < 150 K наблюдается наиболее значительное падение эффективности, некоторое ее уменьшение заметно также при 250 K. В районе температур 150 и 250 K в области токов J 100 мкА кривые ext(T ) имеют максимумы.

Температурные зависимости тока. На рис. 2 привеРис. 3. Зависимости эффективности электролюминесценции дены температурные зависимости прямого тока светоголубого светодиода от прямого тока при различных темперадиода. На кривых lg J(T ) видны ступени в области тех турах. T, K: 1 — 300, 2 — 222, 3 — 128, 4 — 110, 5 — 90, же температур, что и ступени на зависимостях ext(T ):

6 — 78.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Туннельно-рекомбинационные токи и эффективность электролюминесценции InGaN/GaN... Вольт-амперные и вольт-яркостные характеристики Импульсные и высокочастотные вольт-амперные хана постоянном напряжении. На рис. 4 приведены J-U- рактеристики. Зависимости величины переходного тока, и L-U-характеристики. Прямые J-U-характеристики измеренного с временами задержки 50 нс–4мкс после исследованных светодиодов, измеренные на постоянном фронта прямоугольных импульсов напряжения длительнапряжении (кривые 1, 2), близки к наблюдавшимся ностью 1–100 мкс, от амплитуды импульса, Jt(Um), предранее для голубых светодиодов на основе GaN [6–8]. ставлены на рис. 4 (кривые 3–7). Переходный ток при В работах [6–8] сделан вывод о доминировании туннели- Um 2.3 B по величине на несколько порядков превосрования в механизме прохождения тока. Прямая J-U- ходит постоянный ток, но приближается к постоянному характеристика светодиода в логарифмическом масшта- в области рабочих токов. Кинетика переходного тока хабе lg J(U) при комнатной температуре (кривая 1) имеет рактеризуется растянутой экспонентой [5]. Перегибы на характерное плечо в области напряжений (1-2.3) Bи кривых lg J(U), lg Jt(Um) наблюдаются в области одних токов 1 нА–1 мкА, которое обычно связывается в барьер- и тех же напряжений. Отметим также, что зависимости ных структурах на основе GaN c влиянием большого активной компоненты малосигнального тока светодиода количества дислокаций и дефектов [8].

на частотах 1 мГц и 100 кГц от постоянного напряПри 300 K резкий рост электролюминесценции нажения смещения, полученные с помощью измерений блюдается при напряжении „включения“ UEL 2.4B вольт-кондактансных характеристик, имеют подобный (кривая 1 ). Интенсивность электролюминесценции на характер.

начальном участке кривой lg L(U) при токах J 1мА, т. е. меньших тока, соответствующего максимуму на 3. Обсуждение результатов кривой ext(J), может быть аппроксимирована экспонентой L exp(U/Ut), где Ut = 26-52 мВ. При напряже3.1. Туннелирование и инжекция в светодиоде ниях U < UEL в светодиоде протекает ток, не дающий вклада в электролюминесценцию. Этот избыточный ток Избыточный туннельно-рекомбинационный ток при ( 2мкА при 2.4B) линейно зависит от напряжения при малых напряжениях, U < UEL. Основным механизмом малых напряжениях; при U 2 B может быть аппроксипрохождения тока в диодных структурах с квантовыми мирован как J exp(U/Ut), где Ut > 140 мВ. В области ямами InGaN считается туннелирование [6–8].

токов (1-20) мА наклон кривых lg J(U) и lg L(U) Для случая однородного распределения состояний по постепенно уменьшается, причем наклон кривых lg L(U) энергии в запрещенной зоне и рекомбинации в нейстановится меньше наклона кривых lg J(U), отражая тральной области туннельно-рекомбинационный ток при уменьшение эффективности с током. Таким образом, прямом смещении p-n-перехода может быть записан максимальная квантовая эффективность соответствует как наибольшему наклону кривой lg J(U). Подобная тенJt-r = J0 exp[(U - Ubi)/Ut], (1) денция наблюдается и при низких температурах (кригде Ubi — встроенное напряжение p-n-перехода, вые 2, 2 ).

Ut [NaNd/(Na + Nd)]1/2, Na и Nd — концентрации акцепторов в p-области и доноров в n-области соответственно [9].

Туннельный ток, наблюдающийся в исследованных диодах при малых напряжениях, резко растет вблизи напряжении „включения“ UEL 2.4 B. Избыточный ток при U < UEL, не генерирующий свет, может быть связан с тем, что носители заряда минуют квантовую яму в пространстве энергий, туннелируя под квантовой ямой к гетерогранице InGaN/p-GaN с высокой плотностью состояний (рис. 5). Выраженные ступени на температурной зависимости тока при постоянном прямом напряжении (рис. 2) предполагают неоднородное распределение граничных состояний в запрещенной зоне и указывают на две группы состояний. Заметим, что причиной избыточного тока может быть также туннелирование по границам зерен.

В исследованных светодиодах n-GaN легирован сильнее (Nd = 1018 см-3), чем p-GaN (Na = 2 · 1017 см-3).

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики голубого светодиУчитывая большую эффективную массу дырок в GaN ода при постоянном (1, 2), импульсном (3–7) напряжении mh = 2.2m0 (m0 — масса свободного электрона) [10], и зависимости интенсивности излучения L от постоянного можно предложить туннельно-рекомбинационную монапряжения (1, 2 ) при T = 300 (1, 3–7,1 ) и 78 K (2, 2 ).

дель прохождения тока через гетероструктуру, включаюВремя задеpжки, мкс: 3 — 0.05, 4 — 0.25, 5 — 1, 6 —2, щую туннелирование электронов сквозь потенциальный 7 —4.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 630 Н.И. Бочкарева, E.A. Zhirnov, А.А. Ефремов, Ю.Т. Ребане, Р.И. Горбунов, Ю.Г. Шретер максимальная квантовая эффективность электролюминесценции.

При излучательной рекомбинации зона–зона рекомбинационный ток в p-i-n-структуре J exp(qU/kT) [11].

При комнатной температуре зависимость интенсивности света от напряжения (рис. 4, кривая 1 ) близка к зависимости такого вида лишь при малых напряжениях (U 2.7B). C ростом напряжения наклон кривых lg L(U), как и кривых lg J(U), уменьшается. При этом lg L/U < lg J/U и интенсивность света отстает от тока.

При U > UTFL наблюдается уменьшение эффективности электролюминесценции, которое естественно связать с ограничением инжекции носителей заряда в квантовую яму при рекомбинации дырок с электронами, захваченными на локализованные состояния на гетерогранице. С ростом концентрации дырок на гетерогранице вновь начинают доминировать туннелирование и рекомбинация на гетерогранице, в результате доля Рис. 5. Зонная схема светодиода. EF — уровень Ферми, компоненты инжекционного тока в квантовую яму в Up, Un — потенциальные барьеры для дырок в p-области и полном токе уменьшается. Учитывая, что электронов в n-области, Jn — туннельный ток электронов в n-области, Jp — термоактивационный ток электронов в Ubi - U = Un + Up, p-области, U — прямое смещение.

где Un и Up — высота потенциального барьера в nи p-области соответственно, и согласно требованиям барьер в n-GaN (Jn на рис. 5) и термическую активацию нейтральности Qi = Qn - Qp, где Qi, Qn =(2qNdNn)1/дырок над потенциальным барьером в p-GaN (Jp на и Qp =(2qNaUp)1/2 — заряд состояний на гетерограрис. 5). нице, заряд ионизованных примесей в обедненных n- и Импульсные и статические вольт-амперные характе- p-областях соответственно, легко получить для Un и Up ристики при U < UEL. Вид вольт-амперных характерик, при Nd Na:

наблюдающихся для постоянного и переходного токов, Q2 Qподтверждает рассматриваемую модель. Как видно из i i Un, Up Ubi - - U.

2qNd 2qNd рис. 4, характер нелинейности этих характеристик подобен, что типично для случая, когда захват носителей При доминировании рекомбинации на гетерогранице заряда играет определяющую роль при токопереносе.

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.