WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 11 УДК 621.315.592 Светодиоды на основе твердых растворов GaSb для средней инфракрасной области спектра 1.6–4.4 мкм Об з о р © Т.Н. Данилова, Б.Е. Журтанов, А.Н. Именков, Ю.П. Яковлев¶ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получен 14 июля 2004 г. Принят к печати 17 декабря 2004 г.) Представлен обзор опубликованных нами работ по созданию и исследованию светодиодов для области спектра 1.6–4.4 мкм на основе гетероструктур, выращенных на подложке GaSb методом жидкофазной эпитаксии, позволяющим создавать слои достаточной толщины, изопериодные с GaSb. Активная область для спектральных диапазонов 1.8-2.4 и 3.4-4.4 мкм состояла из твердого раствора GaInAsSb, а для диапазона 1.6-1.8 мкм из твердого раствора AlGaAsSb. Широкозонные ограничительные слои AlGaAsSb содержали большое количество Al, до 64%, что является рекордным для метода жидкофазной эпитаксии. Создавались и исследовались несимметричные (GaSb/GaInAsSb/AlGaAsSb) и симметричные (AlGaAsSb/GaInAsSb/AlGaAsSb) гетероструктуры. Разрабатывались раличные виды конструкций, позволяющие улучшить выход генерированного в активной области излучения наружу. Измеренный внешний квантовый выход излучения достигал 6.0% при 300 K для светодиодов на длины волн 1.9–2.2 мкм. Получена импульсная оптическая мощность излучения 7 мВт при токе 300 мА со скважностью 2 и 190 мВт при токе 1.4 А со скважностью 200. В светодиодах, излучающих в спектральной области 3.4–4.4 мкм получен внешний квантовый выход излучения 1% — в 3 раза больший, чем в известной гетероструктуре InAsSb/InAsSbP, выращенной на подложке InAs. Измеренное время жизни неосновных носителей заряда (5–50 нс) близко к теоретическому при учете только излучательной и ударной СНСС объемной рекомбинации. Ударная рекомбинация преобладает при температурах выше 200 K для светодиодов, работающих в спектральном диапазоне 3.4–4.4 мкм, и выше 300 K для светодиодов, работающиx в спектральном диапазоне 1.6–2.4 мкм.

1. Введение могут применяться в медицине, например, для измерения содержания сахара в крови. Для спектральной области 1.6–2.5 мкм были сделаны попытки создать свеСветодиоды прочно утвердились в оптоэлектронике.

Они проще и надежнее лазеров, работают при суще- тодиоды на основе неизопериодичных гетероструктур InGaAs/GaAs [2], однако они имели низкую эффективственно меньших плотностях тока. В тех случаях, когда не требуется высокого разрешения, светодиоды привле- ность из-за образования дислокаций несоответствия в напряженных слоях. Гетероструктуры на основе GaSb кательнее лазеров, потому что лазеры — более дорогоизопериодичны с подложкой GaSb, имеют низкую плотстоящие приборы, а совмещение узкой линии излучения ность дислокаций несоответствия и отличаются повылазера с линией поглощения газа усложняет измеришенной устойчивостью к деградации.

тельную установку из-за необходимости прецизионного GaSb — прямозонный полупроводник с шириподогрева. По сравнению с тепловыми источниками ной запрещенной зоны при комнатной температуре излучения светодиоды имеют то прeимущество, что Eg = 0.728 эВ. Зонная структура GaSb содержит долиони излучают достаточно узкую спектральную линию, ны, L, X с ширинами запрещенной зоны при 300 K поэтому не требуют применения оптических фильтров L X Eg = 0.727 эВ, Eg = 0.753 эВ, Eg = 1.032 эВ. Вследи, кроме того, допускают высокоскоростную электриствие малого энергетического расстояния -L в GaSb ческую модуляцию вместо использования механических и гораздо меньшей плотности состояний в -минимуме модуляторов.

при комнатной температуре значительная часть элекСветодиоды на основе GaSb и его твердых раствотронов занимает состояния L-долины. Спин-орбитальное ров GaInAsSb, AlGaAsSb представляют собой источрасщепление в GaSb имеет величину 0.76 эВ, т. е. больники спонтанного излучения в спектральной области ше Eg при комнатной температуре, что благоприятно 1.6–2.5 мкм, в которой имеются линии поглощения паров для уменьшения внутренних потерь на поглощение, воды, CO2, азотсодержащих молекул (N2O, NO2, NH3), а также для снижения уровня безызлучательной ожемолекул углеводородов, в частности метана, и др. Такие рекомбинации.

источники излучения перспективны для спектральных В светодиодах на основе GaSb используются в каприложений, в частности для экологичесокого и техчестве активной области твердый раствор GaInAsSb, нологического контроля окружающей среды [1]; они а в качестве широкозонных эмиттеров AlGaAsSb.

¶ Твердый раствор GaInAsSb совпадает по периоE-mail: yak@iroptI.ioffe.rssi.ru Fax: (812) 247 0006 ду кристаллической решетки с GaSb для составов 1 1282 Т.Н. Данилова, Б.Е. Журтанов, А.Н. Именков, Ю.П. Яковлев светодиоды на основе симметричных гетероструктур AlGaAsSb/GaInAsSb/AlGaAsSb, выращенных на подложке GaSb, имеющие рекордную эффективность в этом спектральном диапазоне.

В разд. 6 рассмотрены особенности конструкций светодиодов, полностью перекрывающих спектральный диапазон 1.6–2.5 мкм. Приведены достигнутые параметры светодиодов.

В разд. 7 изложены исследования по увеличению квантового выхода излучения путем электрохимической огранки подложечной части светодиода.

2. Светодиоды на основе Рис. 1. Зависимость ширины запрещенной зоны от состава несимметричной гетероструктуры для четверных твердых растворов (GaSb)1-z (AlAs0.08Sb0.92)z и (InAs0.91Sb0.09)1-z (GaSb)z, совпадающих по решетке с GaSb/GaInAsSb/AlGaAsSb GaSb, при температуре 300 K. Область несмешиваемости для для спектрального диапазона GaInAsSb показана пунктирной линией.

1.8–2.5 мкм Если в работе [4] были созданы светодиоды такой (GaSb)z (InAs0.91Sb0.09)1-z, а твердый раствор AlGaAsSb конструкции, при которой активная область p-GaInAsSb для составов (GaSb)1-z (AlAs0.08Sb0.92)z. Зависимость от находилась между подложкой p-GaSb и широкозонным состава ширины запрещенной зоны для прямых перехо- эмиттером n-GaSb, то в наших светодиодах использовалдов в этих твердых растворах показана на рис. 1 [3]. Ме- ся в качестве широкозонного эмиттера твердый раствор тодом жидкофазной эпитаксии не удается выращивать AlGaAsSb для улучшения электронного ограничения.

слои GaInAsSb с z от 0.25 до 0.7. Светодиоды представляли собой структуру (рис. 2, a) [5], Впервые результаты по созданию и исследованию состоящую из активного слоя n-GaInAsSb (Eg 0.58 эВ) светодиодов на основе GaInAsSb были представлены в толщиной 2–3 мкм, выращенного на подложке n-GaSb работе [4]. В качестве активной излучающей области использовался p-GaInAsSb, выращенный на подложке p-GaSb, а в качестве широкозонного эмиттера n-GaSb.

В таких светодиодах был достигнут внешний квантовый выход излучения 1–1.5% при комнатной температуре и получено быстродействие 10-7 c.

Данная работа представляет собой обзор наших публикаций по разработке и исследованию светодиодов на основе GaSb и его твердых растворов. Обзор состоит из Введения, 6 основных разделов и Заключения.

В разд. 2 рассмотрены наиболее простые несимметричные светодиодные структуры, имеющие в качестве одного широкозонного эмиттера подложку GaSb, в качестве другого слой твердого раствора AlGaAsSb. Эти светодиоды наиболее перспективны для диапазона длин волн = 1.8-2.5мкм.

В разд. 3 представлены светодиоды с симметричными эмиттерами на основе твердого раствора AlGaAsSb.

Симметричные гетероструктуры показали хорошие результаты на длинаx волн 1.94 и 2.35 мкм, соответствующих линиям поглощения паров воды и метана соответственно.

Разд. 4 посвящен усовершенствованию конструкции светодиодов на основе симметричных гетероструктур AlGaAsSb/GaInAsSb/AlGaAsSb, излучающих в области Рис. 2. Светодиод на основе несимметричной гетерострукдлин волн 1.9–2.1 мкм при комнатной температуре, с туры с активной областью GaInAsSb. a — схема меза-диода, целью достижения больших мощностей излучения.

b — энергетическая диаграмма структуры: F — уровень ФерВ разд. 5 представлены наиболее длинноволно- ми, Ec — дно зоны проводимости, Ev — потолок валентной вые, излучающие на длинах волн = 3.4-4.4мкм, зоны.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Светодиоды на основе твердых растворов GaSb для средней инфракрасной области спектра... Рис. 3. Электролюминесцентные характеристики светодиодов GaSb/GaInAsSb/AlGaAsSb при комнатной температуре. a —спектр излучения; b — зависимость мощности излучения P от тока I, I — пороговый ток резкого возрастания мощности излучения с током; c — диаграмма направленности излучения; d — зависимость интенсивности излучения от времени t при питании структуры прямоугольными импульсами тока амплитудой 50 мА, длительностью 70 нс.

ориентации (111)B и легированной теллуром до концен- ния P(h) =dP/dh содержит только одну полотрации носителей заряда (7-9) · 1017 см-3, и широко- су шириной на половине максимума интенсивности зонного эмиттера p-AlGaAsSb (Eg = 1.2эВ), легирован- = 0.06-0.07 эВ (рис. 3, a). Мощность излучения P ного германием до концентрации 5 · 1018 см-3. Иссле- (рис. 3, b) при малых токах, I < I = 4-8 мА, увеличивадовались структуры с различным уровнем легирования лась сверхлинейно с ростом тока, P Im, где m = 4-5, a активной области теллуром в интервале концентраций I — пороговый ток резкого возрастания квантового вы(5-7) · 1017 см-3. Из такой структуры изготавливались хода излучения. При больших токах, I > I, в интервале меза-светодиоды (диаметром 300 мкм) co cплошным на- токов 10–100 мА m = 1.1-1.3. Диаграмма направленнопыленным омическим контактом к n-GaSb (Au + 5%Te) сти излучения (рис. 3, c) характеризуется зависимостью мощности излучения, отнесенной к единице телесного и точечным (диаметром 50 мкм) напыленным омическим угла, (P,) от угла в плоскости активной области контактом (Au + 5%Ge) к p-AlGaAsSb.

и угла относительно перпендикуляра к ней. СуммарЭнергетическая диаграмма светодиода представлена на рис. 2, b. Как видно, на границе между подложкой nная мощность излучения есть P = d P, sin d.

GaSb и активной областью имеется n-n-гетеропереход 0 II типа.

Мощность излучения в направлении, перпендикулярном Измерение характеристик светодиода, спектров из- к плоскости p-n-перехода ( = 0), на 20–30% меньше, лучения и диаграмм направленности проводилось при чем под углом = 70-80 (рис. 3, c) при всех.

питании его прямоугольными импульсами тока типа ме- Это объясняется тем, что излучение выходит как через андр со скважностью 2. Частота следования выбиралась лицевую поверхность кристалла с меза-структурой, так 40–1000 Гц, т. е. достаточно малой для установления в и через боковые поверхности. При угле = 0 наблюсветодиоде стационарного состояния в процессе каждого дается излучение только через лицевую поверхность, а импульса. Поэтому такой режим далее мы называем при больших углах добавляется еще и излучение через квазинепрерывным (CW). Для получения характеристик боковые поверхности. Угловое распределение излучения светодиода при больших токах в отсутствие нагрева- через каждую поверхность оказывается близким к косиния скважность импульсов увеличивалась до 30–100. нусному. Быстродействие светодиода влияет на зависиПри этом длительность импульсов уменьшалась до мость текущей мощности излучения Pt от времени t при 0.2–10 мкс. Будем приводить далее только амплитудные питании светодиода прямоугольными импульсами тока значения тока и мощности излучения. Быстродействие (рис. 3, d). Возникающий импульс излучения имеет три определялось по кривой нарастания или спада импульса стадии. Вначале наблюдается задержка появления излуизлучения при питаниии светодиода импульсами тока. чения, связанная с зарядкой барьерной емкости p-nРезультаты экспериментального исследования све- перехода. Затем излучение нарастает с постоянной вретодиодов представлены на рис. 3. Спектр излуче- мени, близкой к времени жизни неосновных носителей 1 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1284 Т.Н. Данилова, Б.Е. Журтанов, А.Н. Именков, Ю.П. Яковлев заряда ( ), а после выключения тока излучение спадает почти с такой же постоянной времени. Длительность импульса тока выбирается больше, чтобы излучение успело установиться к моменту окончания импульса тока. Эта установившаяся мощность является амплитудной мощностью излучения P. Импульс излучения (рис. 3, d) нарастает и спадает во времени t практически с одинаковой постоянной времени 10–15 нс. Время жизни неосновных носителей заряда, определенное из величины экстрагируемого заряда при переключении прямого тока на обратный, имеет приблизительно такую же величину, 9–11 нс.

Падение напряжения на светодиоде при больших токах, I > I, выражается эмпирической зависимостью kT I + I1 kT I + IU = ln + ln + IRs, (1) e I1 e Iгде I1 = 0.001-0.1мкм, I2 = 0.2-0.9мА, Rs = 1-2Ом, T — температура, k — постоянная Больцмана, e —заряд электрона. Первое слагаемое обусловлено падением напряжения на p-n-переходе, второе — падением напряжения на n-n-переходе, третье на последовательном Рис. 4. Основные параметры светодиода: a — спектры сопротивлении Rs диода.

четырех светодиодов, b — зависимость внешнего квантового Внешний квантовый выход излучения измерялся с выхода излучения ext и постоянной времени спада излучения помощью калиброванного фотодиода как для случая от длины волны максимума спектральной полосы max.

вывода излучения через лицевую грань, так и для случая вывода излучения через все поверхности. Квантовый выход излучения через одну лицевую грань находился в также может быть связано с излучательной рекомбинаинтервале значений 1.3–3.5%, а общий квантовый выход цией через квантовые состояния на n-n-гетерогранице.

излучения — в пределах 3.0–4.5% при токе 30 мА и Дальнейшие исследования светодиодов на основе практически не зависел от уровня легирования активной GaSb/GaInAsSb/AlGaAsSb проводились в широком инобласти. Достижение более высокого внешнего квантотервале составов, толщин активной области и конценвого выхода излучения (ext > 1.5%) по сравнению с трации носителей заряда в ней [6]. Структура светополученным в работе [4] связано не только с высоким диодов была такой же, как в работе [5] (см. рис. 2), внутренним квантовым выходом излучательной рекомоднако подложка n-GaSb имела другую ориентацию — бинации, но и выходом значительной части излучения за (100), при этом была так же легирована Te до концентрасчет многократного отражения света в меза-структуре.

ции носителей заряда (5-9) · 1017 см-3. Широкозонный Поскольку в качестве активной области использовался эмиттер p-AlGaAsSb (Eg = 1.27 эВ) легировался гермаn-GaInAsSb, а не p-GaInAsSb, как в работе [4], можнием до концентрации акцепторов 5 · 1018 см-3.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |



© 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.