WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 9 |

первого типа (симметричная, S) состояла из четырех эпитаксиальных слоев. Активный слой n-GaInAsSb Вольт-амперные характеристики двух типов структур был заключен между двумя широкозонными эмитте- отличались друг от друга напряжением отсечки, которое рами n- и p-AlGaAsSb (толщиной 2.5 мкм). Сильно составляло 0.27 B для структуры S и 0.23 B для струкФизика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1292 Т.Н. Данилова, Б.Е. Журтанов, А.Н. Именков, Ю.П. Яковлев туры NS. Последовательные сопротивления для обеих насыщение ватт-амперной характеристики из-за нагрева структур находились в пределах 1.3–1.4 Ом. светодиода. Симметричные светодиоды S имели большие Как для структуры S, так и для структуры NS спектр выходные мощности по сравнению с несимметричными спонтанного излучения имел типичный для инфракрас- светодиодами NS во всем исследованном интервале ных диодов вид с характерным температурным ушире- токов. Симметричные светодиодные гетероструктуры S нием. исследовались более подробно. В частности, изучались зависимости выходной мощности от тока при различных Излучение наблюдалось при прямом смещении, когда величина тока превышала 5 мА. Резкий подъем мощно- толщинах активной области d (рис. 14, b). Максимальсти наблюдался для токов инжекции выше 10 мА. ная оптическая мощность достигалась при толщинах Спектр симметричной структуры S при комнатной температуре состоял из одиночной полосы, при токе 120 мА имел максимум на длине волны max = 2.173 мкм (0.571 эВ) и ширину спектра на половине высоты 0.23 мкм (0.060 эВ). Спектр излучения несимметричной структуры NS при комнатной температуре и том же токе 120 мА имел максимум, смещенный на 0.02 мкм в длинноволновую сторону по сравнению с максимумом симметричной структуры, и ширину спектра 0.28 мкм (0.074 эВ). При охлаждении до 77 K максимум спектра структуры S смещался в коротковолновую сторону до max = 1.989 мкм (0.623 эВ) со средней скоростью 0.82 нм/K, а ширина спектра излучения уменьшалась до 0.07 мкм (0.022 эВ). Максимум спектра структуры NS при охлаждении до 77 K смещался в коротковолновую сторону до 1.997 мкм (0.621 эВ). Спектр излучения структуры NS характеризовался большой шириной и при азотной температуре — 0.105 мкм (0.033 эВ). Следует отметить, что общий температурный сдвиг максимума спектра излучения для обоих типов диодов оказался меньше расчетного температурного изменения ширины запрещенной зоны. Ослабление температурной зависимости энергии максимума спектра излучения характерно для межзонной излучательной рекомбинации, при которой энергия максимума больше, чем Eg, на величину kT. Превышение ширины спектра излучения над величиной 1.5kT, соответствующей больцмановскому распределению носителей заряда, объясняется сильным легированием активной области донорами. Для обеих структур положение максимума излучения слабо зависело от величины инжекционного тока. Сдвиг наблюдался в длинноволновую сторону со средней скоростью 0.05 нм/мА.

Токовая зависимость выходной оптической мощности представлена на рис. 14. Оптическая мощность P нарастала во всем диапазоне токов для обеих структур и может быть описана степенной зависимостью P Im. Для симметричной структуры на начальном участке токов до 90 мА P I и переходит в P I0.87 при больших токах накачки. Для несимметричной структуры NS соответствующие значения m имели величину 0.93 и 0.Рис. 14. Токовые зависимости выходной оптической мощнодля малых и больших токов соответственно. Для светости светодиодов на основе двойных гетероструктур при питадиодов типа S зависимость характеризовалась большей нии током в виде меандра с частотой 512 Гц. a —светодиоды выходной мощностью во всем диапазоне токов. Максина основе симметричной (S) и несимметричной (NS) двойных мальная мощность 1.7 мВт в квазинепрерывном режиме гетероструктур с толщиной активной области 0.8 мкм. b — была достигнута при инжекционном токе 120 мА (имесветодиоды на основе симметричной (S) гетероструктуры при ются в виду импульсные значения мощности излучения различных толщинах активной области d = 0.5 (1), 0.7 (2), и тока). При больших величинах тока происходило 1.2 (3), 16 мкм (4). T = 300 K. max = 2.18 мкм.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Светодиоды на основе твердых растворов GaSb для средней инфракрасной области спектра... активной области 0.7 мкм, увеличение и уменьшение толщины приводило к падению выходной мощности.

Оптимальная толщина активной области оказалась значительно меньше диффузионной длины неравновесных носителей ( 2мкм) в твердых растворах GaInAsSb. Это означает, что их распределение внутри активной области не зависит от координаты, перпендикулярной плоскости p-n-перехода.

Таким образом, по спектральным и мощностным отличиям симметричная полупроводниковая гетероструктура GaAlAsSb/GaInAsSb/GaAlAsSb, характеризующаяся наличием разрывов зон проводимости, сравнимых с шириной запрещенной зоны активной области, оказывается наиболее привлекательной для достижения максимальной спектральной плотности излучения. Этот параметр оказался исключительно важным для практических приложений данного класса инфракрасных светодиодов в спектроскопии.

На основе симметричных гетероструктур были созданы светодиоды для влагометрии на длину волны 1.94 мкм [16] и для измерения содержания метана на длину волны 2.35 мкм [17]. Внешний квантовый выход излучения этих приборов больше, чем несимметричных приборов [6] на эти длины волн, в 1.8 и 1.4 раз соответственно.

Светодиоды на длину волны 1.94 мкм [16], так же как Рис. 15. Зонные энергетические диаграммы светодиодных и рассмотренные в работе [15] светодиоды на длину гетероструктур 3 типов на длину волны max = 2.35 мкм.

волны 2.2 мкм, изготавливались методом жидкофазной Структуры a и b в эмиттерных слоях содержат 50% Al, эпитаксии на подложке n-GaSb (100). Для светодиодов гетероструктура c — 34% Al. z — координата в направлении на длину волны 1.35 мкм [17] использовались подложки роста слоев.

GaSb (100) n- и p-типа проводимости, при этом создавались три варианта гетероструктур (a, b, c), зонные энергетические диаграммы которых представлены на На рис. 16 представлен спектр излучения светодиода рис. 15. Эти структуры не содержат гетеропереход на длину волны 1.94 мкм в квазинепрерывном режиме II типа GaSb/GaInAsSb и различаются характеристиками эмиттерных слоев. Активная область всех рассматри- при комнатной температуре и спектр этого же излучения, но прошедшего через слой воды толщиной ваемых симметричных структур с содержанием In и 21% имела n-тип проводимости за счет легирова- 5 мкм. Ширина спектра излучения 0.12 мкм, а полоса ния Te до концентрации (1-2) · 1017 см-3. При этом поглощения воды 0.03 мкм. Ток инжекции 50 мА. На рис. 17 (кривая 1) приведен спектр излучения светоиспользовалась оптимальная толщина активной области диода на 2.35 мкм при непрерывном режиме питания, 0.6мкм [15]. Широкозонные ограничительные слои, выращенные на подложках GaSb n- и p-типа в структу- токе инжекции 50 мА и комнатной температуре. Ширина спектра излучения 0.22 мкм. Спектр поглощения излурах a, b, представленных на рис. 15, содержали Al 50% чения светодиода метаном при атмосферном давлении, (Eg = 1.11 эВ) и легировались Те и Ge до концентрации носителей (2-4) · 1018 и (6-8) · 1018 см-3 для слоев n- записаный в тех же условиях, представлен кривой 2.

и p-типа соответственно. В структуре c содержание В результате использования оптимальных значений Al в эмиттерных областях было сниженно до 34% концентрации носителей заряда и толщины активной (Eg = 1.0эВ). области, полученных в работе [6], а также других Монтирование полупроводниковых кристаллов в из- возможностей оптимизации структуры для ее практичелучающие свет приборы осуществлялось таким же об- ского применения достигнуты более высокие значения разом, как в работе [15]. внешнего квантового выхода светодиодов на длины волн Вольт-амперные характеристики светодиодов имели 1.94 и 2.35 мкм. При этом достигнута непрерывная опдиодный вид с напряжением отсечки 0.50 В при ком- тическая мощность 3.7 мВт и пиковая мощность 90 мВт натной температуре и 0.75 В при азотной температуре. при комнатной температуре.

Обратный ток утечки составлял 0.8 мА при напряжении Исследования светодиодов трех конструкций, излуча1 В. Последовательное сопротивление при прямом сме- ющих в области 2.35 мкм (рис. 15), позволили выявить щении не превышало 2.4 Ом. зависимость мощностных характеристик от параметров Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1294 Т.Н. Данилова, Б.Е. Журтанов, А.Н. Именков, Ю.П. Яковлев ности излучения оказывается симметричная полупроводниковая гетероструктура AlGaAsSb/GaInAsSb/AlGaAsSb типа b (рис. 15). Именно наличие больших разрывов зоны проводимости, превышающих ширину запрещенной зоны активной области, оказывается наиболее важным для создания инфракрасных светодиодов. Для комнатной температуры в области волны 2.3 мкм достигнута амплитудная оптическая мощность 1.2 мВ в CW режиме и показана перспективность использования светодиодов для детектирования молекул углеводородов методами спектроскопии поглощения.

4. Мощные светодиоды, излучающие в области длин волн 1.9–2.1 мкм Дальнейшее усовершенствование светодиодов на основе гетероструктур GaInAsSb/AlGaAsSb, излучающих в области 1.9–2.1 мкм, было связано с повышением их оптической мощности за счет более эффективного отвода тепла и уменьшения сопротивления контактов, что позволило увеличить внешний квантовый выход Рис. 16. Спектр излучения светодиода на длину волны излучения и интервал токов, в котором интенсивность 1.94 мкм в квазинепрерывном режиме питания (CW) током излучения пропорциональна току [18]. Конструкция тас амплитудой 50 мА при комнатной температуре (штриховая кого светодиода, представленная на рис. 19, является кривая) и спектр того же излучения после прохождения через слой воды толщиной 5 мкм (сплошная кривая). Частота следования импульсов тока — 512 Гц, скважность — 2.

эмиттерных слоев (рис. 18). Введение дополнительного широкозонного эмиттера AlGaAsSb с двух сторон от активной области (симметричная структура) привело к увеличению внешнего квантового выхода излучения от 1.25% (несимметричная структура с гетерограницей II типа [6]) до 1.75% (рис. 15, структура c) [17]. Дальшейшее повышение высоты гетеробарьеров (рис. 15, структуры a и b) усилило эффективность канала излучателей рекомбинации до 2-2.5%. При этом структуры, выращенные на подложке n-типа (рис. 15, структура b) оказались более эффективными, чем структуры, выращенные на подложке p-типа (рис. 15, структура a).

Кривая 1 на рис. 18 соответствует структуре b (рис. 15).

Однако для всех структур, рассмотренных в работе [17], смена сверхлинейной токовой зависимости оптической мощности (m > 1) на сублинейную (m < 1) свидетельствовала о существенном усилении безызлучательных потерь с ростом инжекционного тока. В первую очередь уменьшение эффективности излучательной рекомбинации следует связать с перегревом активной области за счет как возросшего теплового сопротивления для Рис. 17. Спектр излучения светодиода на длину волны оттока тепла на подложку через четырехкомпонентный 2.35 мкм при квазинепрерывном режиме питания током с амтвердый раствор, так и увеличения инжекции горячих плитудой 50 мА и комнатной температуре (1) и спектр того же носителей. Кроме того, сильное легирование эмиттеров излучения, прошедшего через кювету длиной 2.5 см с метаном способствует усилению туннельных токов утечки и при атмосферном давлении (2). Положение и относительная уменьшает плотность прямого инжекционного тока в интенсивность линий поглощения метана приведены в верхней активную область. Наиболее привлекательной для дочасти рисунка. Частота следования импульсов тока — 512 Гц, стижения максимальной спектральной плотности мощскважность — 2.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Светодиоды на основе твердых растворов GaSb для средней инфракрасной области спектра... известной конструкцией „flip–chip“. Вначале с помощью фотолитографии с глубоким травлением в подложку из выращенных эпитаксиальных структур создаются круглые меза-диоды. Контакты наносятся на диодную структуру таким образом, чтобы n- и p-контакты находились на одной поверхности. Вид светодиода со стороны контактных площадок показан на рис. 19, b.

Для электрического подключения контактов служила кремниевая пластина, обладающая высокой теплопроводностью. На эту пластину методом фотолитографии были нанесены контактные слои, к которым подпаивались контактные слои светодиода путем совмещения и последующего нагревания. Свет из активной области выходит, как показано стрелками на рис. 19, a, через подложку, совершенно не заслоенную контактом.

На наружную поверхность светодиода наносился эпоксидный компаунд в виде линзы высотой 2-4 мм, обеспечивающей расходимость потока излучения на половине максимальной интенсивности 16-20.

Исследуемые структуры светодиодов изготавливались методом жидкофазной эпитаксии и представляли собой гетероструктуры GaInAsSb/AlGaAsSb, выращенные на подложке n-GaSb (100), легированной Те до концентра- Рис. 19. Оптимизированная конструкция светодиода для полуции свободных электронов (8-9) · 1017 см-3. Светодио- чения максимальной оптической мощности: a — расположение слоев структуры, b — вид со стороны контактных площадок.

ды имели структуру (рис. 19, a), в которой узкозонный Стрелками показано направление выхода излучения из струкактивный слой был заключен между широкозонными туры.

эмиттерами. Преимущество структуры светодиодов с двумя широкозонными эмиттерами показно в работе [15]. Все выращенные слои изопериодичны с подложкой. Величина рассогласования параметров решетки подложки и узкозонного слоя a/a =(8-9) · 10-4, a подложки и широкозонного слоя a/a = 1.3 · 10-3.

Узкозонный слой состава Ga1-xInxAsy Sb1-y c x 0.1, y 0.08 легировался Те до концентрации свободных электронов (7-8) · 1016 см-3. Толщина узкозонного слоя — 2 мкм. Широкозонные слои выращивались с большим содержанием Al, чем в широкозонных слоях светодиодов, исследованных в упомянутых ранее работах [6,8,15,16], и имели состав Al0.64Ga0.36As0.44Sb0.56.

Широкозонный n-слой легировался Те до концентрации свободных электронов 6 · 1017 см-3. Широкозонный p-слой легировался Ge до концентрации свободных дырок 1018 см-3. Толщина n-слоя — 1.5 мкм, толщина p-слоя — 1.7 мкм. С целью создания низкоомного контакта широкозонный p-слой покрыт слоем p+-GaSb с большой концентрацией свободных дырок в нем, 1019 см-3; толщина этого слоя 3мкм.

Расчетное значение ширины запрещенной зоны при комнатной температуре в узкозонной области Eg 0.64 эВ, а в широкозонной области Eg = 1.23 эВ.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 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.