WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

туннельный ток электронов Jn сквозь потенциальный Спад тока со временем после снижения барьера имбарьер в n-GaN равен току дырок (Jp), термически пульсным напряжением в начальный момент импульса активированных над барьером в p-GaN. Учитывая (1), при t = 0 может быть вызван захватом электронов в можно записать незанятые локализованные состояния на внутренних поверхностях: на гетерогранице InGaN/GaN, на границах Q2 q(Ubi - Q2 - U) i i J0t exp - = J0p exp -, (2) зерен и дислокациях в n-GaN. При малых прямых Ut kT напряжениях рост отрицательного заряда на граничных где J0t, J0p — плотности токов насыщения для барьеров состояниях, Qi, компенсирует первоначальное понижев n- и p-области соответственно, =(2qNd)-1. При ние барьера для электронов.

Ut kT/q получаем высоту барьера для электронов в Туннельно-рекомбинационный ток при U > UEL. Пинn-области:

нинг уровня Ферми на гетерогранице InGaN/GaN и kT J0p подавление инжекции в квантовую яму InGaN. УвеUn Ubi - ln - U. (3) q J0t личение прямого смещения должно приводить к постепенному насыщению центров захвата и увеличению В результате при U > UTFL и Ut kT/q практически инжекционного тока в квантовую яму. Сравнение за- все приращение напряжения падает на n-GaN. При висимостей J(U) и Jt(Um) позволяет сделать вывод о этом рост плотности дырок на границе с напряжением том, что ловушки на гетерогранице полностью запол- замедляется. Отметим, что в отсутствие высокой плотняются при напряжении предельного заполнения лову- ности состояний на гетерогранице InGaN/GaN и токе шек UTFL 3 B. Действительно, как видно из рис. 4, гетероструктуры J exp(qU/kT) напряжение падало бы вблизи этого напряжения величина постоянного тока в основном на p-области вследствие более низкого постепенно увеличивается до уровня импульсного тока. уровня легирования, пока плотность дырок на граниВ этой области напряжений U UTFL наблюдается и це pi exp(qU/kT) не сравнялась бы с плотностью Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Туннельно-рекомбинационные токи и эффективность электролюминесценции InGaN/GaN... в область больших напряжений (см. рис. 6, кривая 2 ), но для двух светодиодов наблюдаются близкие J-Uхарактеристики (ср. кривые 1 и 2). В этих диодах величина избыточного тока достигает 1–2мА при U = 3-3.1B (кривая 2), что приводит даже к уменьшению интенсивности света с напряжением при токах < 1мА.

C понижением температуры туннельно-рекомбинационный ток при малых напряжениях уменьшается в результате уменьшения плотности дырок на гетерогранице InGaN/p-GaN и эффективность увеличивается, приближаясь к максимальной при U = UTFL. Так как ловушки полностью заполнены, при дальнейшем росте напряжения практически все приращение напряжения падает на p-области в соответствии с уровнями легирования p- и n-GaN и плотность свободных и захваченных на гетерогранице дырок быстро растет с напряжением. Однако падение эффективности с ростом тока начинается уже Рис. 6. Вольт-амперные характеристики (1, 2) и зависимости при малых токах, так как при небольшом уменьшении интенсивности излучения от постоянного напряжения (1, 2 ) Un устанавливается равенство токов дырок и электронов, голубых (1, 1 ) и фиолетовых (2, 2 ) светодиодов.

как это следует из (3), и практически все приращение напряжения вновь начинает падать на n-области. В результате инжекционный ток при увеличении смещения электронов на границе ni [11]. Дальнейшее приращение в области U > UTFL подавляется. С повышением темпенапряжения распределялось бы между p- и n-областями ратуры плотность свободных и захваченных дырок на поровну и J pini exp(qU/kT ) [11]. Рост туннельно- гетерогранице InGaN/GaN увеличивается и требуется более значительное уменьшение барьера для электронов рекомбинационного тока, Jt-r, сопровождается более Un, чтобы уравновесить ток дырок с током электронов на медленным ростом инжекционного тока, генерирующего состояния гетерограницы. В результате при повышении свет. Используя (2) и (3), получаем для Jt-r:

температуры падение эффективности происходит при Ubi - U больших токах.

t Jt-r = J0t(J0p/J0t)kT/U exp. (4) Ut 3.2. Возможные причины инжекционных В результате снижения эффективности инжекции с ропотерь в светодиоде стом прямого напряжения при U > UTFL эффективность Вероятной причиной туннельно-рекомбинационного электролюминесценции ext(J), проходя через максимум тока на гетерогранице, подавляющего инжекцию, может при относительно малых токах, (1-3) мА, значительбыть сегрегация остаточных примесей. Так, известна но уменьшается при рабочих токах 20 мА.

сегрегация кислорода и водорода на протяженных дефекПодтверждением влияния туннельно-рекомбинационтах в GaN [12,13]. Кислород является донором в объемных токов на интенсивность электролюминесценции ном GaN, но создает глубокие акцепторные состояния являются следующие экспериментальные факты. В гона дислокациях в GaN, образуя комплексы с вакансиями лубых диодах с большими избыточными токами галлия [14]. Известна способность кислород-водородных (J > 0.1-0.2мА при 2.6В) уменьшение квантовой эфцентров в объеме и на внешних и внутренних поверхфективности начинается при меньших напряжениях и ностях твердых тел к захвату дырок при низких темсопровождается насыщением интенсивности электролюпературах. Это является движущей силой ступенчатых минесценции, как иллюстрирует рис. 6, где приведены температурных изменений поверхностного изгиба зон и J-U- и L-U-характеристики такого диода.

работы выхода в полупроводниках. Так, можно отметить Особенно ярко проявляется связь туннельно-рекомбиобщие закономерности в температурном поведении понационного тока с квантовой эффективностью при больверхностного изгиба зон в районе 220–250 и 150 K в ших напряжениях в фиолетовых диодах (длина волны Ge [15], Si [16] и GaAs [17], положительного встроенного максимума излучения max 400 нм). В этих диодах иззаряда в окисле в полевых транзисторах на основе за большей ширины запрещенной зоны в Inx Ga1-xN Si/SiO2 [18], работы выхода металлов [19].

напряжение, необходимое для генерации света (при Отметим, что аналогичные закономерности темперадоминировании туннельного механизма токопереноса турного поведения емкости в диодах Шоттки на p-GaN UEL h - (µn + µp), µn и µp — энергии уровня Фернаблюдались в [20] и связывались авторами с остами EF в n- и p-GaN соответственно), должно быть точным содержанием водорода после активационного больше, чем в голубых светодиодах (max = 465 нм), на отжига слоя p-GaN. Отметим, что в голубых светоди h/q 0.44 B ( h — разность энергий квантов). Для одах нами ранее также наблюдались подобные темперафиолетовых диодов наблюдается сдвиг кривых lg L(U) турные зависимости емкости [8]. Такие закономерности Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 632 Н.И. Бочкарева, E.A. Zhirnov, А.А. Ефремов, Ю.Т. Ребане, Р.И. Горбунов, Ю.Г. Шретер видны и в температурных зависимостях тока светодио- [9] J.A. DelAlamo, R.M. Swanson. IEEE Electron Dev. Lett., EDL-7, 629 (1986).

дов (рис. 2). Это позволяет связать поведение темпера[10] J.S. Im, A. Moritz, F. Steuber, V. Harle, F. Scholz, турных зависимостей тока и квантовой эффективности A. Hangleiter. Appl. Phys. Lett., 70, 631 (1997).

ext(T ) с изменением в районе температур 150 и 250 K [11] Г.Е. Пикус. Основы теории полупроводниковых прибозарядового состояния H- и O-содержащих комплексов, ров (М., Наука, 1965).

ответственных за температурный xод уровня Ферми на [12] K.S.A. Butcher, H. Timmers, Afifuddin, P.P.-T. Chen, гетерогранице InGaN/GaN.

T.D.M. Weijers, E.M. Goldys, T.L. Tanslay, R.G. Elliman, J.A. Freitas, jr. J. Appl. Phys., 92, 3397 (2002).

[13] I. Arslan, N.D. Browning. Phys. Rev. Lett., 91, 165 501 (2003).

4. Заключение [14] J. Elsner, R. Jones, M.I. Heggie, P.K. Sitch, M. Haugk, Th. Frauenheim, S. Oberg, P.R. Briddon. Phys. Rev. B, 58, Обнаружено, что температурное поведение эффектив12 571 (1998).

ности электролюминесценции при малых и больших [15] А.В. Ржанов. Электронные процессы на поверхности токах имеет противоположный характер. Аномальное полупроводников (М., Наука, 1971).

уменьшение эффективности при охлаждении наблюда[16] С.И. Кириллова, М.Д. Моин, В.Е. Примаченко, С.В. Свечется для токов J 1мА, при токах J 50 мкА эффекников, В.А. Чернобай. ФТП, 26, 1399 (1992).

тивность растет при температурах ниже 150 K. Это поз[17] Ю.В. Дубровский, С.В. Морозов. Поверхность. Физика, волило связать температурные и токовые зависимости химия, математика, № 9, 143 (1987).

эффективности с туннельно-рекомбинационным меха[18] D.L. Griscom. Phys. Rev. B, 40, 4224 (1989).

низмом избыточного тока, включающим туннелирование [19] A. Spitzer, A. Rotz, H. Luth. Surf. Sci., 152/153, 543 (1989).

электронов сквозь потенциальный барьер в n-GaN, и [20] J.W. Huang, T.F. Kuech, H. Lu, I. Bhat. Appl. Phys. Lett., 68, 2392 (1996).

термическую активацию дырок над барьером в p-GaN.

При малых прямых напряжениях, как показали исследоРедактор Л.В. Шаронова вания переходных токов, доминирует захват электронов;

при напряжениях, больших напряжения предельного Tunnel-recombination currents заполнения ловушек, — интенсивная безызлучательная and efficiency of electroluminescence рекомбинация, ограничивающая рост с напряжением in InGaN/GaN light-emitting diodes плотности дырок на гетерогранице. При комнатной температуре рост рекомбинационного тока опережает N.I. Bochkareva, E.A. Zhirnov, A.A. Efremov+, инжекционный ток, в результате эффективность мала Y.T. Rebane, R.I. Gorbunov, Y.G. Shreter при малых токах и увеличивается при охлаждении.

Ioffe Physicotechnical Institute, Так как при охлаждении плотность свободных и заRussian Academy of Sciences, хваченных дырок на гетерогранице InGaN/GaN умень194021 St. Petersburg, Russia шается, для уравновешения потока дырок требуется Department of Physics, Bath University, меньший ток электронов, в результате чего туннельноBath BA2 7AY, UK рекомбинационный ток является основной составляю+ St. Petersburg State Polytechnical University, щей полного тока уже при малых токах светодиода, 194251 St. Petersburg, Russia приводя к уменьшению квантовой эффективности.

Abstract

The mechanism of injection losses in light-emitting Список литературы diodes with a p-GaN/InGaN/n-GaN quantum well is being analyzed using measurements of temperature and current dependencies [1] T. Mukai, M. Yamada, S. Nakamura. Jap. J. Appl. Phys., 38, of external quantum efficiency in the temperature range 77–300 K 3976 (1999).

as well as transient current measurements. Results are interpreted [2] A. Hori, D. Yasunaga, A. Satake, K. Fujiwara. Appl. Phys.

on the base of tunneling-recombination model of excess current, Lett., 79, 3723 (2001).

involving tunneling of electrons through the potential barrier in [3] X.A. Cao, S.F. LeBoeuf, L.B. Rowland, C.H. Yan, H. Liu.

n-GaN and the thermal activation of holes over the barrier in pAppl. Phys. Lett., 82, 3614 (2003).

GaN. At low forward bias the capture of electrons in the interface [4] I.A. Pope, P.M. Smowton, P. Blood, J.D. Thomson, states dominates. The excess current rises when both the hole M.J. Kappers, C.J. Humphreys. Appl. Phys. Lett., 82, density at the InGaN interface and the rate of their recombination (2003).

with trapped electrons increase with the bias. The charge carrier [5] Y.T. Rebane, N.I. Bochkareva, V.E. Bougrov, D.V. Tarkhin, injection in the quantum well is suppressed due to the tunnelY.G. Shreter, E.A. Girnov, S.I. Stepanov, W.N. Wang, recombination current resulting in a decreased efficiency at high P.T. Chang, P.J. Wang. Proc. SPIE, 4996, 113 (2003).

current densities and low temperatures. The Fermi-level pinning is [6] H.C. Casey, jr., J. Muth, S. Krishnankutty, J.M. Zavada, Appl.

associated with the decoration of interfaces, grain boundaries and Phys. Lett., 68, 2867 (1996).

dislocations by impurity complexes.

[7] P. Perlin, M. Osinski, P.G. Eliseev, V.A. Smagley, J. Mu, M. Banas, P. Sartori. Appl. Phys. Lett., 69, 1680 (1996).

[8] H. Morkoc. Nitride Semiconductors and Devices (Springer Verlag, Berlin-Heidelberg, 1999).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып.

Pages:     | 1 ||



© 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.