WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 9 Спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе многослойных гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами © К.Г. Золина, В.Е. Кудряшов, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия (Получена 27 сентября 1996 г. Принята к печати 18 марта 1997 г.) Исследованы спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе гетероструктур InxGa1-xN/AlyGa1-yN/GaN с тонким (23нм) активным слоем InxGa1-xN в интервале температур 100300 K и в интервале токов J = 0.01 20 мА. Спектры голубых светодиодов имеют максимумы в интервале max = 2.55 2.75 эВ, зеленых — max = 2.38 2.50 эВ в зависимости от содержания In в активном слое. Спектральная интенсивность основной полосы экспоненциально падает в длинноволновой области с энергией в показателе E0 = 45 70 мэВ; это описывается моделью, учитывающей хвосты плотности состояний в двумерной активной области и степени их заполнения вблизи краев зон. При малых токах в спектрах голубых диодов наблюдается туннельная излучательная рекомбинация с максимумом в спектре, сдвигающимся с напряжением. Обсуждается модель энергетической диаграммы гетероструктур.

1. Введение На нем выращен активный тонкий (d 20 30 ) слой InxGa1-xN. Длина волны в максимуме спектра измеВ последние три года были достигнуты большие успеняется от голубой до зеленой области, если состав x хи в создании излучающих гетероструктур из GaN и активного слоя изменяется в пределах 0.2-0.43; она твердых растворов на его основе. Работы по проблеме зависит и от толщины слоя. Затем следует широкозонбыли представлены на 1-м Международном семинаре по ный слой p-Al0.1Ga0.9N: Mg ( 1000 ) — барьер для GaN и аналогичным материалам на сессии Общества электронов, необходимый для инжекции дырок и соматериаловедения (дек. 1995 г., [1]) и 1-м Европейском гласования решетки активного слоя с верхним контактсеминаре по GaN [2]. Рекордные результаты по разраным слоем p-GaN : Mg ( 0.5мкм). При выращивании ботке светодиодов (СД) для коротковолновой (фиолеp-Al0.1Ga0.9N : Mg предотвращает испарение активного товой, голубой, зеленой) части видимого спектра были слоя во время роста сравнительно толстого верхнего достигнуты методом эпитаксии из металлоорганических слоя. На p-GaN : Mg нанесен металлический контакт соединений (МОС) группой фирмы Ничия [3,4]. В Ni–Au. Металлический контакт Ti–Al к слою n-GaN работе [4] было показано, что на основе многослойных создан после стравливания части структуры. Площадь гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с тонким (2 3нм) кристалла с p-n-гетеропереходом S = 350 350 мкм2.

активным слоем из InGaN возможно создание светоДля сравнения были исследованы также спектры двух диодов в указанной спектральной области с внешним голубых и двух зеленых СД предыдуших разработок квантовым выходом до 4 9% (см. также обзор [5]).

фирмы Ничия [3], в которых имеется еще два эпиСпектры электролюминесценции (ЭЛ) этих светодиодов были исследованы в зависимости от тока J и температуры T в [4,6]. В настоящей работе продолжено исследование спектров ЭЛ этих светодиодов в широком диапазоне изменений J и проведен подробный анализ особенностей спектров. Эти особенности представляют интерес для понимания механизмов излучательной рекомбинации и факторов, влияющих на квантовый выход излучения в гетероструктурах InGaN/AlGaN/GaN.

В структурах с тонким активным слоем существенны квантово-размерные и туннельные эффекты, флуктуации потенциалов в квантовых ямах и легирование прилегающих широкозонных областей.

2. Методика эксперимента Были исследованы 10 светодиодов из структур, выращенных методом МОС гидридной эпитаксии, описанные в [4] (рис. 1). На сапфировой подложке и буферном Рис. 1. Энергетическая диаграмма гетероструктур InxGa1-xN/AlyGa1-yN/GaN, описанных в работе [4].

слое GaN ( 300 ) выращен слой n-GaN : Si (t = 5мкм).

1056 К.Г. Золина, В.Е. Кудряшов, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович Таблица 1. Параметры диодов I и II группы Группа Nдиода max, эВ E0, мэВ m Fn, эВ Eg, эВ ( )1/2, эВ e, % I G3 2.435 68.2 1.105 -0.125 2.584 0.G2 2.445 69.9 1.108 -0.166 2.646 0.152 4.G4 2.446 66.8 1.123 -0.123 2.559 0.151 4.II B3 2.709 54.5 1.005 -0.141 2.853 0.133 0.B2 2.732 44.3 1.059 -0.089 2.824 0.B5 2.752 49.1 1.104 -0.091 2.851 0.134 0. Пр и м е ч а н и е. Измерения внешнего квантового выхода e описаны в [13].

таксиальных слоя между n-GaN : Si и активным слоем: Для голубых диодов интенсивность резко падала при n-Al0.1Ga0.9N: Si (100 нм) и n-In0.05Ga0.95N: Si (50 нм). J < 0.7 0.2 мА, что заметно на рис. 3, a по изменению расстояния между кривыми в логарифмическом Излучение наблюдалось в стандартной светодиодной масштабе. При малых токах длинноволновая часть спекконструкции через пластмассовый фокусирующий купол тров голубых диодов отклоняется от экспоненты. Для над кристаллом со структурой.

зеленых светодиодов резкого падения I(J) не наблюСпектры излучения исследовались на комплексе далось, и спектры с разрешением до 0.5мэВ можно КСВУ-12, сигнал с которого через цифроаналоговые было исследовать до J = 10 мкА (рис. 3, b). Ширина преобразователи и интерфейс подавался на компьютер спектров практически не зависела от тока и изменялась IBM PC-486. Было разработано программное обесдля разных диодов в пределах ( )1/2 = 130 150 мэВ печение для управления спектрльным комплексом на (см. табл. 1). Это позволяло исследовать зависимость языке QBASIK. Математическая обработка проводилась интенсивности излучения от J при постоянной T по программай ORIGIN и EASYPLOT.

измерениям Imax(J).

3.3. Структура спектров, обусловленная интерференцией. Большая интенсивность излучения позво3. Экспериментальные результаты лила исследовать спектры с разрешением до 0.2 мэВ, с точностью до 0.1% и обнаружить структуру, пока3.1. Общий вид спектров. На рис. 2 представлезанную на рис. 4. Периодическая структура четко ны спектры электролюминесценции нескольких диодов разрешалась, когда из экспериментального спектра выде(табл. 1) при комнатной температуре и постоянном лялось гладкое приближение полосы (точечная линия).

токе J = 10 мА. Максимумы в спектрах голубых и Она объясняется интерференцией излучения, отражасине-фиолетовых диодов (II группа) лежат в интервале емого от границ прозрачного слоя n-GaN (толщиной max = 2.55 2.75 эВ в зависимости от содержания In t ±t = 5±0.5мкм) [6,7]. Значения n[1+(/n)(dn/d)] в активном слое (x = 0.20 0.25). Для зеленых диодов (n — показатель преломления, dn/d — дисперсия), (I группа) max = 2.38 2.45 эВ (x = 0.40 0.44).

вычисленные по формуле Диоды третьей группы были изготовлены технологиn 1 +(/n)(dn/d) =(/2)(1 + /)/t (1) ей с дополнительными гетерослоями [3], они соответствуют сине-зеленой и зеленовато-синей областям ( — период), при t = 5.0 мкм имеют величину max = 2.48 2.60 эВ. Таким образом, светодиот 2.48 до 3.03. Поскольку t 0.5 мкм, это согласуется оды, созданные из гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN, с показателем преломления GaN (n = 2.5).

перекрывают весь коротковолновый диапазон видимой 3.4. Туннельная излучательная рекомбинация. В области в соответствии с [1–4]. Для краткости диоды спектрах люминесценции голубых светодиодов в облавторой группы мы будем называть голубыми.

сти малых токов (J = 0.02-0.2мА) была обнаружена 3.2. Зависимость спектров от тока и формы спектральная полоса, положение максимума которой в спектральной полосы. На рис. 3 показаны спектры интервале max = 2.16 2.39 эВ изменяется пропоризлучения при J = 20 0.2мА и комнатной T. Спад ционально напряжению на p-n-переходе, max eU = спектров описывается экспонентами: I exp( /E1) в (рис. 5). В этой области квантовый выход основной коротковолновой и T exp(- /E0) в длинноволноспектральной полосы падает на 4 порядка. Обнаруженная вой области. Показатель экспоненты E1 — порядка полоса соответствует туннельному излучению, которое 1.0 1.3kT ; E0 kT и не зависит от T. Максимум ранее было исследовано и теоретически описано для в спектрах голубых диодов практически не зависел от других прямозонных соединений типа AIIIBV [8]. В тока в этом интервале. Максимум в спектрах зеленых зеленых СД этой полосы не наблюдалось, что коррелидиодов сдвигался с повышением тока в коротковолновую рует с их большим последовательным сопротивлением и сторону на 60 мэВ. отсутствием туннельной компоненты тока.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе многослойных гетероструктур... Рис. 2. Спектры электролюминесценции светодиодов из гетероструктур InxGa1-xN/AlyGa1-yN/GaN с квантовыми ямами при комнатной T и J = 10 мА; I — первая группа, II — вторая группа, III — третья группа (см. табл. 1).

Рис. 3. Спектры излучения светодиодов в зависимости от тока (цифры в столбце — J, мА) при комнатной температуре; a — голубой диод N 3 из I группы; b — зеленый диод N 2 из II группы. Стрелками отмечно положение максимумов. Точечные кривые — аппроксимация формулами (5)–(8).

3.5. Зависимость спектров от температуры. При показано изменение спектров одного из голубых диодов понижении температуры длинноволновый спад спектра с T при J = 1 мА, при котором нагрев мал. Интегральная в основной полосе практически не изменялся, а ко- интенсивность излучения слабо зависела от T, измеротковолновый становился заметно резче, параметр E1 няясь при этом токе не более чем в 2 раза.

уменьшался и становился зависящим от тока. Измерения 3.6. Зависимость интенсивности от тока и температуры T термопарой, приклеенной к пластмассо- напряжения. Интегральная интенсивность линейно вому колпачку диода, показали, что нагрев диода током зависела от тока J при J = 110 мА (рис. 7), сублинейно более 1 мА заметно изменяет T. Поэтому на рис. 6 росла при увеличении J, J > 10 мА, и сверхлинейно 3 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1058 К.Г. Золина, В.Е. Кудряшов, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович Рис. 4. Структура спектра ЭЛ (1) голубого светодиода (N2, см. табл. 1), обусловленная интерференцией в слое GaN. Точечная линия 2 — гладкая аппроксимация формулами (5)–(8); 3 — отношение аппроксимационного (2) к экспериментальному (1) спектру;

4 — множитель (1 + a · cos(2p( - 0)/)); a = 0.020 ± 0.001; = 7.02 ± 0.07. Для кривых 3 и 4 ось ординат справа.

падала при уменьшении J, J < 0.70.3мА. Это падение можно описать законом Jp. (2) Показатель p изменялся для голубых диодов в пределах p = 4.55.2. Такая резкая зависимость обусловлена изменением соотношения безызлучательной и излучательной рекомбинации в структуре. Для зеленых диодов падение I было менее резким, p 1.5. Это обусловлено различием механизмов протекания тока в исследованных диодах. В области малых токов для голубых диодов U V (V — напряжение на диоде), так что Imax = const · exp(eU/E1), (3) где E1 — показатель для интенсивности излучения. При больших токах сказывается последовательное сопротивление: V = U + JRs. Исследование электрических свойств диодов дано в [9].

4. Обсуждение результатов 4.1. Энергетическая диаграмма. Рассмотрим энергетическую диаграмму гетероструктуры (рис. 1).

Рис. 5. Спектры люминесценции голубого СД (N5) при Эффективная ширина запрещенной зоны в активном малых токах, комнатная температура. Пересечения прямой со слое Eg равна спектрами обозначают энергии, соответствующие напряжению на диоде. J, мА: 1 — 0.025, 2 — 0.05, 3 — 0.075, 4 —0.1, Eg = Eg(x, T )+E1c +E1v +Ep -Eexc - ED,A, (4) 5 — 0.15. Положение максимума полосы туннельного излучения, эВ: 1 — 2.13, 2 — 2.21, 3 — 2.27, 4 — 2.33. Энергия где Eg(x, T) — ширина запрещенной зоны в слое, E1c, максимума коротковолновой полосы — 2.75 эВ.

E1v — уровни размерного квантования в квантовых Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе многослойных гетероструктур... Рис. 6. Спектры люминесценции голубого диода (N2, см. табл. 1) при различных температурах. Точки — аппроксимация по формулам (5)–(8).

ямах зон проводимости и валентной, Ep — изменение Будем считать, что оптические переходы идут между Eg вследствие деформаций из-за различия постоянных краями двумерных зон проводимости и валентной, которые имеют хвосты плотности состояний, обусловленные решетки в слоях гетероструктуры, Eexc — энергия связи различными флуктуациями потенциала (кулоновского двумерного экситона, ED,A — сдвиги краев эффекполя примесей, уровней размерного квантования, состативной запрещенной зоны, обусловленные потенциалом ва твердого раствора, шероховатостей границ). Примедоноров и акцепторов [10,11]. Для расчетов надо знать ним в этом случае формулу для 2D-плотности состояний зависимости Eg (x, T ), mc,v(X, T), зависимости E1c, N2( - Eg ), которая использовалась для описания E1v от разрывов зон Ec,v на обеих гетерограницах люминесценции квантовых ям GaAs/AlGaAs в [11,12]:

и от толщины активного слоя d. Надо знать тензоры упругих постоянных, потенциалы деформаций, энергии I( ) N2D( - Eg ) fc(, kT, Fn) ионизации (ED, EA) и концентрации (ND, NA) доноров и акцепторов, их флуктуации в квантовой яме. Надо оце- 1 - fv(, kT, Fp) ; (5) нить флуктуации потенциала в зависимости от толщины - eff ямы и концентраций примесей. Поскольку электрическое N2D( - Eg ) = 1 +exp -( - Eg )/E0. (6) поле E в p-n-переходе велико, Eg, E1c, E1v могут Энергетический параметр E0 характеризует экспонензависеть от E.

циальный спад плотности состояний в длинноволновой Расчеты Eg громоздки и содержат не всегда известные области. В формуле (5) fc и (1 - fv) — функции конкретные параметры.

заполнения состояний вблизи краев зон:

4.2. Модель описания спектров люминесценции.

fc(, kT, Fn) = 1 +exp (1/m)( - Eg ) Здесь мы ограничимся анализом спектров в основной полосе, исходя из следующей модели. Эффективная из-лучательная рекомбинация идет тогда, когда носители - Fn /kT, (7) тока обоих знаков инжектируются в активный слой — в квантовую яму. При малых токах может быть существен- 1 - fv(, kT, Fp) = 1 + exp (1(1/m))( -Eg ) на туннельная компонента. При больших токах часть -напряжения падает на последовательном сопротивлении, - Fp /kT, (8) что обусловливает нагрев. Рассмотрим спектры излуче ния в квантовой яме в области токов и напряжений, где Fn =(Fn - Ec ), Fp =(Ev -Fp) — квазиуровни соответствующих эффективному излучению. Ферми для электронов и дырок в активной области, 3 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1060 К.Г. Золина, В.Е. Кудряшов, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович Рис. 7. Зависимости интен6ивности излучения от напряжения (по верхней шкале) и от тока (по нижней шкале) для голубого (a) и зеленого (b) светодиодов; прямые соответствуют формулам (2) и (3); на верхней шкале указаны параметры аппроксимации по формулам (5)–(8); комнатная температура.

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.