WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 8 Флип-чип светодиоды на основе InAs с буферными слоями из InGaAsSb © Н.В. Зотова, Н.Д. Ильинская, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев¶, М.А. Ременный, Н.М. Стусь, В.В. Шустов, Н.Г. Тараканова Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия ООО «Иоффе-ЛЕД», 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 19 декабря 2005 г. Принята к печати 30 декабря 2005 г.) Исследованы электрические и оптические свойства эпитаксиальных слоев InGaAsSb с электронным типом проводимости, близких по составу к арсениду индия и согласованных с ним по периоду решетки, полученных на подложках InAs методом жидкофазной эпитаксии из расплавов, легированных теллуром. Слои прозрачны в области 3 мкм благодаря эффекту Мосса–Бурштейна. Приводятся и обсуждаются ватт-амперные и пространственные характеристики электролюминесценции светодиодов на основе InAs, изготовленных в конструкции типа флип-чип, в которых вывод излучения осуществляется через буферные слои n+-InGaAsSb.

PACS: 85.60.Jb, 78.40.Fy 1. Введение можно было бы использовать в качестве буферных слоев, расположенных между световыводящей поверхПоследнее десятилетие было отмечено существенным ностью и активным слоем с рабочей длиной волны прогрессом в создании неохлаждаемых светодиодов и = 2.9-3.4 мкм. При большой толщине таких слоев, лазеров, работающих в средней инфракрасной области достаточной для обеспечения механической прочности спектра (3–6мкм), которые предполагается использо- гетероструктуры, непрозрачная подложка n-InAs может быть впоследствии удалена (в химическом травителе).

вать для тестирования фотоприемных систем и для Подобная гетероструктура с удаленной частью n-InAs по измерений пропускания среды с целью определения содержания в ней вредных для здоровья человека ком- своим оптическим свойствам является аналогом структуры n+-InAs/n-InAsSbP/n-InAs/p-InAsSbP, описанной рапонентов, например, окиси азота [1]. Для светодиодов нее в ряде наших работ [3,4], и может рассматриваться наиболее успешные приборные реализации связаны с как ее альтернатива при создании эффективных свето- и использованием прозрачных подложек, позволяющих фотодиодов конструкции флип-чип.

как упростить конструкцию оптически возбуждаемых источников при обеспечении фотолюминесценции „на В данной работе мы приводим результаты исследовапросвет“, так и реализовать конструкции типа флип- ний оптических и электрофизических свойств эпитаксичип с электрической инжекцией носителей, напри- ального твердого раствора InGaAsSb, выращенного на подложках n-InAs и легированного теллуром в широком мер, при использовании сильно легированных подложек диапазоне концентраций, и светодиодов (СД) конструкn+-InSb [2]. Было показано, что для приемников [3,4] и источников излучения с оптическим [5] или элек- ции флип-чип с прозрачными буферными слоями из InGaAsSb(Te) с рабочей длиной волны 3.4 мкм.

трическим [4] возбуждением с рабочей длиной волны вблизи 3 мкм в качестве материала подложек можно использовать сильно легированный арсенид индия с 2. Описание эксперимента концентрацией электронов n > 1018 см-3, обеспечивающей вырождение электронов в зоне проводимости и Эпитаксиальные структуры выращивались методом сдвиг края поглощения в коротковолновую сторону в жидкофазной эпитаксии на подложках InAs (111) соответствии с эффектом Мосса–Бурштейна. С другой p- и n-типа проводимости толщиной 350 мкм. Слои стороны, в спецификациях на подложки из арсенида In0.936Ga0.064As0.937Sb0.063 имели толщину 30–40 мкм и индия, предлагаемых подавляющим большинстом прохарактеризовались низкой плотностью наклонных дисизводителей, не содержится данных о спектрах их пролокаций (N < 105 см-2), что соответствовало нашему зрачности, что не позволяет сделать правильный выбор ожиданию близости периодов решетки слоя и подложки.

материала для изготовления и исследования диодов с Для проведения измерений по методу Холла выращивавыводом излучения через подложку в диапазоне длин лись образцы–спутники на подложках p-типа проводиволн 2.9-3.4 мкм. В этой связи актуальным является мости, при этом образцы–спутники представляли собой исследование прозрачности слоев твердых растворов, прямоугольники длиной 10 и шириной 5 мм с шестью близких по периоду решетки к арсениду индия, которые вплавленными точечными контактами. Проводимость и ¶ E-mail: bmat@iropt3.ioffe.rssi.ru постоянная Холла измерялись при температурах T = Флип-чип светодиоды на основе InAs с буферными слоями из InGaAsSb и 300 K, токе через образец 10 мА и напряженности магнитного поля 5 кЭ. Расчеты были проведены в предположении незначительности тока, протекающего через p-подложку, в рамках однослойной модели [6]. Оценки, проведенные в рамках двухслойной модели [6], показали, что расхождение в вычисляемых величинах для двух указанных случаев не превышает 4%.

Спектры фотолюминесценции при 77 K измерялись в геометрии „на отражение“ при возбуждении с помощью матрицы лазеров из арсенида галлия (ЛПИ-14, = 0.8 мкм, мощность в импульсе P 50 Вт), фотосигнал регистрировался охлаждаемым фотодиодом из InSb.

Спектры пропускания измерялись при комнатной температуре с помощью охлаждаемого фотодиода из HgCdTe.

3. Экспериментальные результаты Рис. 2. Спектры фотолюминесценции слоев InGaAsSb(Te) с концентрацией электронов n = 7.8 · 1017 см-3 (штриховая и их обсуждение линия) и 1 · 1017 см-3 (сплошная). T = 77 K.

На рис. 1 представлена зависимость концентрации свободных электронов в InGaAsSb(Te) и их подвижности от концентрации теллура в жидкой фазе (расплаве) до Nd = 4.8 · 1018 см-3 (Na = 4 · 1017 см-3). В соответдля образцов одной серии экспериментов. Как видно ствии с данными [8] достигнутое увеличение кониз рис. 1, увеличение концентрации Te с 2.7 · 10-центрации электронов (до n 5 · 1018 см-3) обеспедо 18 · 10-5 ат% сопровождается ростом концентрации чивает подъем уровня Ферми E 90 мэВ, в свядоноров с 7.8 · 1017 до 4.8 · 1018 см-3 при одновремензи с чем можно ожидать соответствующий сдвиг ном снижении подвижности носителей заряда с края поглощения пропускания в коротковолновую обдо 1820 см2/В · с (при 300 K). По нашим оценкам, выласть спектра благодаря эффекту Мосса–Бурштейна.

полненным по упрощенной модели [7] в предположении Действительно, максимум спектра фотолюминесцено полной ионизации примесей при 77 и 300 K, преобции при 77 K (рис. 2) сильно легированного обладании рассеяния на ионизованных примесях при 77 K разца (n = 8 · 1017 см-3, hmax = 435 мэВ) сдвинут в и с использованием расчетного значения подвижности коротковолновую область по сравнению с максимупри 77 K из работы [4], одновременно с возрастанимом спектра нелегированного образца (n = 2 · 1016 см-3, ем в эпитаксиальных слоях концентрации электронов несколько увеличивалась концентрация акцепторов Na hmax = 410 мэВ), что соответствует подъему уровня Ферми на 50 мэВ выше дна зоны проводимости. Другим и ионизованных примесей NI. При этом степень компенхарактерным признаком высокой степени вырождения сации уменьшалась: например, с 0.16 до 0.09 при типичэлектронов является большая ширина спектра фотоных значениях параметров, если концентрация доноров люминесценции сильно легированного образца, достиизменяется от Nd = 7.8 · 1017 см-3 (Na = 1 · 1017 см-3) гающая в данном случае значения 52 мэВ, исходя из которого с учетом экспериментальных данных работы [8] можно заключить, что концентрация составляет n 1 · 1018 см-3. Последнее значение удовлетворительно согласуется с нашими данными, полученными из электрических измерений (n = 8 · 1017 см-3). Для сравнения на рис. 2 приведен также спектр фотолюминесценции образца с концентрацией электронов 1 · 1017 см-3.

Приведенные данные по фотолюминесценции и вывод о подъеме уровня Ферми в зоне проводимости в сильно легированных образцах дополняются спектральными зависимостями пропускания (см. рис. 3), измеренными на ряде слоев InGaAsSb (с удаленной подложкой InAs) с параметрами, приведенными в таблице. Из рис. 3 и таблицы видно, что с увеличением концентрации электронов слои становятся прозрачными для коротковолноРис. 1. Зависимость подвижности и концентрации носителей вого излучения с энергиями 338–479 мэВ, поглощаемого заряда в эпитаксиальных слоях InGaAsSb(Te) от концентрации Te в жидкой фазе. нелегированным арсенидом индия. Отметим падение Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1006 Н.В. Зотова, Н.Д. Ильинская, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный...

Параметры слоев InGaAsSb Номер Концентрация Толщина Энергия фотона для Энергия уровня Ферми, мэВ Концентрация образца Te в расплаве, ат% слоя, мкм пропускания 50%, мэВ (77 K) электронов, см-746(5) 0 20 338 429 1 · 746(4) 8.7 · 10-5 14 397 479 5 · 746(2) 15.1 · 10-5 20 413 495 9 · 745(4) 24.4 · 10-5 14 479 561 2.5 · пропускания в длинноволновой части спектра, возрас- для излучения вблизи 3.3 мкм, имеющего толщину тающее с длиной волны и связанное с поглощением 30-40 мкм, ограничительного нелегированного широкона свободных носителях, хорошо проявляющееся и в зонного слоя n-InAsSbP толщиной 2–3 мкм, активного спектрах объемного арсенида индия [4]. слоя из нелегированного арсенида индия n-типа проводимости толщиной 2–3 мкм и контактного широкозонного слоя p-InAsSbP(Zn) толщиной 4–5мкм. Для получения конструкций типа флип-чип с круглыми мезами диаметром 300 мкм использовалась стандартная „мокрая“ фотолитография. Круглые анодные (диаметр Da = 150, 240 мкм) и U-образные катодные контакты (см. рис. 4) наносились напылением в вакууме с последующим „упрочнением“ при электрохимическом осаждении золота. По окончании процессов фотолитографии подложка n-InAs стравливалась в химическом травителе;

полученная пластина толщиной 40–45 мкм раскалывалась на отдельные чипы размерами 0.8 1.0 мм, которые паялись, как показано на рис. 4, на кремниевые носители с контактными площадками, аналогичными описанным в [3]. Смонтированные на кремниевых подложках чипы паялись на корпуса ТО-18.

Рис. 3. Спектры прозрачности слоев InGaAsSb(Te) толщи- На рис. 5 представлен спектр электролюминесценной 30 мкм. Концентрация электронов n, см-3: 1 —1017, ции светодиода, в котором видны характерные моды 2 —5 · 1017, 3 —9 · 1017, 4 —2.5 · 1018. T = 300 K.

резонатора Фабри–Перо, аналогичные наблюдавшимся ранее в диодах на основе арсенида индия с удаленной Рис. 4. Схема (разрез) флип-чип диода, смонтированного на кремниевом носителе: 1 — буферный слой n+-InGaAsSb, 2 —слой n-InAsSbP, 3 —слой n-InAs, 4 —слой p-InAsSbP, 5 —носитель из Si, 6 — анодный контакт, 7 — U-образный катодный контакт, 8, 9 — контактные площадки с нанесенным покрытием из Sn + Pb.

Полученные нами данные по оптическому пропусканию сильно легированных слоев n-InGaAsSb(Te) были использованы при создании светодиодов, излучающих на длине волны 3.3 мкм. Структуры для таких светодиодов создавались последовательным наращива- Рис. 5. Спектр электролюминесценции светодиода при комнием „буферного“ слоя n-InGaAsSb(Te), прозрачного натной температуре и токе 1 А.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Флип-чип светодиоды на основе InAs с буферными слоями из InGaAsSb оценкам [9], не менее 0.9. В нашем случае диаметр анода меньше диаметра мезы, а расстояние от активной области диода (от p-n-перехода) до анода не превышает нескольких микрометров, поэтому можно ожидать, что яркость локальных областей, сопряженных с анодом, будет выше, чем областей, удаленных от анода, в соответствии с ожидаемым увеличением выхода излучения из кристалла из-за отражений от анода [10].

Действительно, распределение интенсивности вблизи от излучающей поверхности (картина „ближнего поля“) имеет ярко выраженное плато в областях над анодом, как показано на рис. 6. Вместе с тем высокую яркость „анодных“ областей не следует связывать только лишь с отражением от контакта, поскольку имеет место существенная зависимость картины ближнего поля от тока через диод: широкое поле свечения при малых токах сужается при увеличении тока, что особенно зримо проявляется в образце с малым диаметром анода (150 мкм).

По аналогии с данными наших более ранних работ (см., например, [11]) и многочисленными исследованиями, выполненными на диодах в ближнем инфракрасном диапазоне [12], будем полагать, что причина изменения картины ближнего поля состоит в сгущении линий тока вблизи анода при увеличении тока. Отметим, что в распределении ближнего поля имеются „плечи“, соответствующие отражению излучения от стенок мезы в направлении световыводящей поверхности, как показано штриховыми стрелками на рис. 4.

Характерной чертой длинноволновых светодиодов ( >3мкм), в том числе на основе InAs, является Рис. 6. Распределение интенсивности электролюминесценции вблизи от излучающей поверхности (картина „ближнего поля“) в светодиодах с диаметром анода 150 мкм (a) и 240 мкм (b) при токах 5 мА (точечная линия) и 1 А(сплошная толстая линия).

подложкой [9] и соответствующие толщине структуры L (межмодовое расстояние = 2/2nL, n = 3.52 — показатель преломления). Наличие таких мод свидетельствует о высокой планарности структуры с буферным слоем Рис. 7. Мощность излучения светодиодов на основе InAs с n+-InGaAsSb. Другой вывод, который можно сделать из диаметром мезы 300 мкм и диаметрами контактов 150 мкм (1) факта существования вертикальных мод, — это высокий и 240 мкм (2) при импульсном (линии) и постоянном (точки) коэффициент отражения от анода, составляющий, по питании. T = 300 K.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1008 Н.В. Зотова, Н.Д. Ильинская, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный...

сублинейность ватт-амперной характеристики, связанная за поддержку проекта № МК-1804.2005.02, а также в основном с особенностями рекомбинационных про- Конкурсному центру фундаментального естествознания цессов в активной области, главным образом с оже- за поддержку проекта № PD06-2.0-225.

рекомбинацией. Последняя усиливается с ростом плотности тока, поэтому можно ожидать, что в образцах Список литературы с меньшей площадью контакта сублинейность ваттамперной характеристики будет проявляться сильнее, а [1] J.G. Crowder, T. Ashley, C.T. Elliott, G.J. Pryce, A.D. Johnson.

интегральная мощность будет меньше, чем в образцах с Electron. Lett., 36, 1867 (2000).

широким контактом. Сказанное иллюстрирует рис. 7, из [2] T. Ashley, D.T. Dutton, C.T. Elliott, N.T. Gordon, T.J. Phillips.

которого видно, что при токе 1 А выходные импульсные Proc. SPIE, 3289, 43 (1998).

[3] B.A. Matveev, M. Aydaraliev, N.V. Zotova, S.A. Karandashov, мощности составляют 124 и 162 мкВт для светодиоM.A. Remennyi, N.M. Stus’, G.N. Talalakin. Proc. SPIE, дов с диаметром анода 150 и 240 мкм соответственно.

(Photodetector Mater. and Dev. VII) 173 (2002).

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.