WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 11 Туннельные эффекты в светодиодах на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами © В.Е. Кудряшов, К.Г. Золин, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович, А.Н. Ковалев, Ф.И. Маняхин Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет, 119899 Москва, Россия Московский институт стали и сплавов, 119235 Москва, Россия (Получена 28 января 1997 г. Принята к печати 18 марта 1997 г.) Исследованы туннельные эффекты в спектрах люминесценции и электрических свойствах голубых светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN. Туннельное излучение в области энергий 2.1 2.4эВ преобладает при малых токах (< 0.2мА), его роль растет по мере сдвига максимума основной голубой полосы в коротковолновую область. Положение максимума max приблизительно пропорционально напряжению eU. Форма и интенсивность полосы описываются теорией туннельного излучения. Вольт-амперные характеристики при малых прямых токах имеют туннельную компоненту с показателем EJ = 130-140 мэВ.

Распределение электрически активных центров выявляет протяженные компенсированные слои в n- и pобластях, прилегающих к активному слою, и указывает на наличие заряженных стенок на границах гетеропереходов. В активной области InGaN существенно сильное электрическое поле. Обсуждается энергетическая диаграмма структур.1 1. Введение были выращены n-GaN : Si (t 5мкм) и активный тонкий (d = 2.5 3.5нм) слой InxGa1-xN. За ним следоВ наших работах [2–4] было обнаружено, что в спек- вали слои p-Al0.1Ga0.9N: Mg ( 100 нм) и p-GaN : Mg трах люминесценции сверхъярких голубых светодиодов ( 0.5мкм). Длина волны в максимуме излучения изме(СД) на основе гетероструктур (ГС) InGaN/AlGaN/GaN нялась в пределах значений, соответствующих голубой при малых токах существенна роль туннельного излу- и зеленой области спектра, если состав x изменялся в чения. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диодов пределах 0.2 0.43 (более подробно см. [2–4,7]).

имела компоненту туннельного тока. Отличие голубых Спектры исследовались в интервале токов СД от зеленых на основе аналогичных ГС с разным J = 0.02 30 мА на комплексе КСВУ-12 с компьютером содержанием In в активной области InGaN было объ- IBM PC-486. Прямая и обратная ветви вольтяснено меньшей толщиной области пространственного амперных характеристик (ВАХ) измерялись в интервале заряда и большим электрическим полем [3]. Предла- J = 1 · 10-7 30 мА. Измерения динамической емкости галось [2,4] использовать для анализа модели туннель- области пространственного заряда по методике [8] ного излучения, разработанные для других соединений позволяли определить распределение электрически AIIIBV [5,6].

активных центров в p-слое.

В настоящей работе проведены подробные исследования спектров туннельного излучения и электрических 3. Экспериментальные результаты свойств голубых светодиодов, описанных в [2–4]. Проанализированы измерения динамической емкости и рас3.1. Спектры при комнатной температуре.

пределение зарядов в структурах. Показано, что туннельные эффекты являются определяющими, когда достаточ- Спектры одного из голубых СД при комнатной темпено велика напряженность поля в активной области — ратуре и изменении тока в пределах J = 0.03 0.1мА квантовой яме. Уточнена энергетическая диаграмма ге- показаны на рис. 1. Спектральная полоса, максимум тероструктур. Проведен анализ спектров на основе те- спектра которой сдвигается от max = 2.20 до 2.34 эВ с орий диагонального туннелирования. Обсуждается роль изменением напряжения V на диоде, связана с туннельфлуктуаций в активном слое. ной излучательной рекомбинацией. Эта полоса преобладает при малых J; при V >2.30 В резко растет голубая полоса, преобладающая при больших токах.

2. Методика эксперимента На рис. 2 показано, что по мере того, как для разных СД максимум голубой полосы сдвигается в короткоБыли исследованы СД из структур InGaN/AlGaN/GaN, волновую область (уменьшается доля In), растет (при выращенных газофазной эпитаксией с использованием равных напряжениях U на p-n-переходе) относительная металлоорганических соединений, которые были перероль туннельной полосы.

даны д-ром Ш. Накамура [7]. На сапфировой подложке На рис. 3 показаны зависимости max и интенсивности Imax от напряжения eU = e(V - JRs) (Rs — послеРабота доложена на Конференции материаловедческого общества, Бостон, 1996 г. [1]. довательное сопротивление). Величина max линейно Туннельные эффекты в светодиодах на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN... Рис. 1. Спектры туннельного излучения голубого СД № 3 при комнатной температуре, токах J = 35 100 мкА, напряжениях V = 2.16 2.34 В. a — линейный масштаб; b — логарифмический масштаб, голубая линия вычтена. Точками показана теоретическая аппроксимация при токах 60 и 90 мкА.

зависит от eU: max = eU -D; Imax — экспоненциально: зависит от тока, Imax J2. При больших напряжениях, Imax exp(eU/EI), с энергией в знаменателе показателя V > 2.6 2.7 В, преобладает инжекционная компонента EI = 70 80 мэВ. тока:

J exp(eU/mkT ); U = V - JRs.

3.2. Вольт-амперные характеристики.

Следует заметить, что в интервале 1.8 < V < 3.0В На рис. 4 показаны ВАХ в прямой и обратной ве- полулогарифмическая производная EJ(V) = dV/d(ln J) тви при 300 м 77 K, показано и изменение производ- имеет максимум вблизи V = 2.3 2.5 В и минимум вблизи V = 2.5 2.6 В, т. е. в области перехода спектров ной EJ = dV/d(ln J) в области U = 1.8 3.0В.

от туннельной к основной полосе (рис. 2). Сдвиг этих Экспоненциальная часть при малых прямых токах J exp(eU/EJ) имеет в знаменателе показате- экстремумов от диода к диоду совпадает со сдвигом максимума голубой полосы. Чем выше max, тем ниже ля энергию EJ = 130 140 мэВ (при напряжении минимум EJ, тем меньше Rs. Это является свидетельV = 1.5 2.5В); аналогичные результаты были ством в пользу изменения механизмов тока и излучения приведены в [9]. Величина EJ слабо зависит от T (155 165 мэВ при 77 K). Эта часть соответствует тун- от туннелирования к инжекции в активную область.

нельной компоненте тока. В этом интервале интенсив- На рис. 4 показаны также ВАХ при обратных наность туннельной полосы приблизительно квадратично пряжениях. Они имеют два экспоненциальных участФизика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1306 В.Е. Кудряшов, К.Г. Золин, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович, А.Н. Ковалев, Ф.И. Маняхин Рис. 2. a — спектры голубых СД при одинаковом напряжении V = 2.304 В. Спектры нормированы на максимальное значение интенсивности голубой полосы излучения. Точками показана аппроксимация голубой и туннельной линий. b — зависимость производной dV /d(ln J) от V для тех же СД.

ка, J exp(-eV/EJ), с энергиями в показателе 3.3. Вольт-емкостные характеристики, EJ 0.6 эВ при напряжениях 3.4 < -V < 6.8В и распределение поля и потенциала.

EJ 0.960.98э,эВ при напряжениях 6.8 < -V < 10 В.

Измерения зависимости емкости от напряжения, C(V ), Значения EJ не зависели от T. Эти компоненты тока можно описать как туннельный пробой. и ее представление в двойных логарифмических коордиПри напряжениях -eV > 10 эВ 3 · Eg (GaN) начи- натах показали, что область пространственного заряда (ОПЗ) может быть представлена эквивалентно в виде налась ударная ионизация, наблюдалась люминесценция, обусловленная электронно-дырочной плазмой. Обратные двух последовательно соединенных емкостей: одной — токи и спектры излучения при ударной ионизации будут Cn, величина которой слабо зависит от обратного напрярассмотрены в следующей публикации. жения, и другой —Cp, которая определяет изменение Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Туннельные эффекты в светодиодах на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN... емкости всей структуры. При отсутствии напряжения 4. Обсуждение результатов смещения часть ОПЗ, приходящаяся на Cn, составляет 4.1. Распределение потенциала и поля, около 45% от общей ширины ОПЗ. Эта емкость обуслоэнергетическая диаграмма.

влена зарядом n-слоя, расширение которого ограничивается сильно легированной n-областью структуры. ИзмеМодельное распределение потенциала и электрическонение общей емкости структуры связано с расширением го поля в рассматриваемой структуре, полученное из ее в сторону менее сильно легированной области p-типа анализа экспериментальных результатов, представлено (GaAlN : Mg). Часть контактного потенциала, относящана рис. 5. Следует заметить, что в активном слое сущеяся к области p-типа, Vp, определенная из кривых C(V), ствует сильное электрическое поле, до E = 6 · 106 В/см.

была Vp 0.5 0.6 В. Часть контактного потенциала, При увеличении прямого напряжения, начиная со значеотносящаяся к n-области, была Vn 0.4 0.5В; так ний U Vi 2.02.2 В, это поле уменьшается, но еще что Vp +Vn 0.9 1.0 В. Компенсированные преобладает туннельная компонента тока. Такая ситуаслои, прилегающие к активной области, имеют с обеих ция иллюстрируется на рис. 6, a. Когда напряжение увесторон толщину порядка 10–15 нм. Часть контактноличивается до значений U Vi +Vqn 2.4 2.6эВ, го потенциала Vqn падает на этих квазинейтральных преобладает инжекционная компонента (рис. 6, b).

слоях, но большая часть, Vi 2.0 2.4 В, падает на тонком (2.5 4нм) активном слое. Распределение 4.2. Туннельная излучательная рекомбинация.

потенциала такого типа образуется заряженными стенками на гетерограницах (p-AlGaN/InGaN и InGaN/n- Теория туннельной излучательной рекомбинации была разработана для гомогенных p-n-переходов, вырожденGaN). Модель таких стенок, в частности, обсуждалась ных с обеих сторон [6,7]. Мы использовали ее с в [10]. Образование стенок может быть обусловлено некоторыми изменениями для нашего более сложного восходящей диффузией примесей из-за деформационного случая многослойного гетероперехода. Спектр туннельпотенциала, электрического поля и оборванных связей ного излучения может быть описан формулой на границах слоев.

I( ) /(Eg - ) ( - eU)/ exp ( - eU)/mkT - exp -(4/3)(Eg - )/E0 3/2, (1) где Eg — эффективная ширина запрещенной зоны; m — безразмерный параметр, зависящий от отношения эффективных масс электронов и дырок;

2/ E0 = /(2m )1/2 eE (2) cv показатель в теории эффекта Франца–Келдыша; m — cv приведенная эффективная масса; E — электрическое поле, предполагаемое постоянным в области перекрытия волновых функций электронов и дырок.

Экспериментальные спектры на рис. 1, 2 были описаны формулой (1) подбором параметров для наилучшего согласия теории с опытом. Предварительно основная голубая полоса вычиталась из суммарных спектров (рис. 1, 2); при этом она аппроксимировалась теоретической кривой, как это было описано в [2–4]. Видно, что теоретические кривые хорошо описывают экспериментальные спектры. Подбор параметров показал, что величина eU в формуле (1) равна в пределах точности Рис. 3. a — зависимость положения максимумов туннельной измеряемому напряжению на структуре; эффективная полосы от напряжения для трех голубых СД; прямая линия:

ширина запрещенной зоны, необходимая для согласия, = eU -eU0, U0 = 0.04 эВ. b — зависимость интенсивности Eg = 2.6 2.9 эВ; параметр m = 1.6.

туннельного излучения от напряжения для тех же СД; прямые Наиболее существенным результатом оказалось зналинии — аппроксимация функцией Itun = A exp(|eU|/EI), чение параметра E0, необходимое для согласия:

значения EI(3,4,5) для СД 3, 4 и 5 соответственно: 0.0712, 0.0640, E0 = 0.35 0.42 эВ. Отсюда была получена 0.0740 эВ.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1308 В.Е. Кудряшов, К.Г. Золин, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович, А.Н. Ковалев, Ф.И. Маняхин Рис. 4. Вольт-амперные характеристики голубого СД № 3. 1, 2 — прямое напряжение, 3, 4 — обратное напряжение; 1, 3 — T = 300 K; 2, 4 — T = 77 K; 5 — EJ = dV /d(ln J).

оценка поля, нужного для туннельного излучения:

E = (4 6) · 106 В/см; эффективные массы в InGaN рассчитывались пропорциональными Eg из значений для GaN (m = 0.20m0 и m = 0.54m0 [11]). Большие c v значения E согласуются с анализом распределения полей из емкостных измерений.

4.3. Туннельные эффекты и флуктуации потенциала.

Модель излучательной рекомбинации для основной, голубой линии в спектрах принимала во внимание флуктуациим потенциала в двумерном активном слое, обусловленные неоднородностями твердого раствора, флуктуациями ширины ямы и кулоновскими полями примесей [2–4]. Оценки флуктуационных электрических полей из этой модели дают значения E (2 3) · 105 В/см.

Поля флуктуаций действуют совместно с электрическим полем p-n-гетероперехода и должны влиять на туннельное излучение.

Мы не обсуждаем здесь вопросов об уровнях размерного квантования в структурах с большим электрическим полем в квантовой яме. Вне настоящей дискуссии и роль примесей (акцепторов Mg и доноров Si) в туннельных переходах. Вообще говоря, нужно принять во внимание и природу полосы люминесценции с максимумом 2.2 эВ, обусловленную дефектами и рассмотренную в [12]. Эти вопросы требуют отдельного рассмотрения.

Рис. 5. Схема гетероструктуры (a), распределения электрически активных центров и пространственного заряда (b), элек5. Выводы трического поля (c) и энергетической диаграммы в равновесии.

1, 7 — квазинейтральные слои n- и p-GaN; 2, 6 — ионизи1. Спектры в области = 2.1 2.5 эВ, наблюдаемые рованные доноры и акцепторы в области пространственного заряда; 3, 5 — компенсированные слои в n-GaN и p-AlGaN; при малых токах (J < 0.2мА) в излучении голубых 4 — активный слой — квантовая яма InGaN.

светодиодов из структур InGaN/AlGaN/GaN с тонкой Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Туннельные эффекты в светодиодах на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN... Рис. 6. Энергетическая диаграмма гетероструктуры при прямых смещениях; a — туннелирование; b — инжекция.

областью пространственного заряда, обусловлены тун- [9] J. Zeller, P.G. Eliseev, P. Sartori, P. Perlin, M. Osinski. MRS Symp. Proc., 395, 937 (1996).

нельной излучательной рекомбинацией электронов и [10] A. Satta, V. Fiorentini, A. Bosin, F. Meloni. MRS Symp. Proc., дырок в активном слое InGaN.

395, 515 (1996).

2. Распределение зарядов в этих структурах включа[11] U. Kaufmann, M. Kunser, C. Mers, I. Akasaki, H. Amano.

ет не только области пространственного заряда, но и MRS Symp. Proc., 395, 633 (1996).

компенсированные квазинейтральные слои и заряженные [12] D.M. Hoggmann, D. Kovalev, G. Steude, D. Volm, B.K. Meyer, стенки на гетерограницах. Это распределение обуслоC. Xavier, T.Momteiro, E. Pereira, E.N. Mokhov, H. Amano, вливает большое электрическое поле в квантовой яме, I. Akasaki. MRS Symp. Proc., 395, 619 (1996).

до (4 6) · 106 В/см.

Редактор В.В. Чалдышев 3. Модель диагонального туннелирования качественно описывает спектры и их изменение с изменением напряTunnelling in light-emitting diodes based жения на структуре.

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.