WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 12 Инфракрасные светодиоды на основе твердых растворов GaInAsSb, выращенных из содержащих свинец растворов–расплавов © А.П. Астахова, Е.А. Гребенщикова, Э.В. Иванов, А.Н. Именков, Е.В. Куницына, Я.А. Пархоменко¶, Ю.П. Яковлев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 21 апреля 2004 г. Принята к печати 28 апреля 2004 г.) Сообщается о создании светодиодов на основе твердых растворов GaInAsSb, выращенных из содержащих свинец растворов–расплавов. Приведены результаты исследования электролюминесцентных характеристик и их зависимости от тока и температуры. Внешний квантовый выход фотонов составил при комнатной температуре 1.6 и 0.11% для светодиодов с длиной волны излучения = 2.3 и 2.44 мкм соответственно.

Для светодиодов с длиной волны излучения = 2.3 мкм при комнатной температуре в квазинепрерывном режиме достигнута средняя мощность излучения P = 0.94 мВт, а в импульсном режиме пиковая мощность излучения составляла P = 126 мВт (при токе 3 А, длительности импульса 0.125 мкс и частоте 512 Гц).

1. Введение 2. Методика создания и исследования светодиодных гетероструктур Спектральный диапазон 1.8–4.0 мкм представляет значительный интерес для систем лазерной дальнометрии Светодиодные гетероструктуры выращивались меи локации [1], высокочастотной атмосферной беспро- тодом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) на подложводной связи [2], а также для медицинских задач и ках GaSb (100) n- и p-типа проводимости. В качеэкологического мониторинга [3,4]. Твердые растворы стве широкозонного эмиттера использовался эпитакGaInAsSb на основе антимонида галлия (GaSb) широко сиальный слой GaSb толщиной 2.5 мкм. Энергетичеиспользуются в оптоэлектронных приборах для данного ская схема светодиодных гетероструктур представлеспектрального диапазона. В работе [4] сообщалось о на на рис. 1, a. Расчет равновесных значений мольсоздании на основе таких твердых растворов высоко- ных долей компонентов в жидкой и твердой фазах эффективных светодиодов, полностью перекрывающих для системы Pb–InAs–InSb–GaAs–GaSb при заданных диапазон 1.6–2.4 мкм. В настоящее время увеличение температуре (560C) и переохлаждении ( T = 3K) рабочей длины волны светодиодов на основе твердых производился по методу ИФЛКП (избыточные функрастворов GaInAsSb остается наиболее важной задачей.

ции — линейные комбинации химических потенциаВ работах [5–7] нами представлены результаты лов) [8,9]. В качестве компонентов шихты для эпиисследования свойств твердых растворов GaInAsSb, выращенных из содержащих свинец растворов–расплавов. Использование свинца позволило получить при температуре T = 560C изопериодные с подложкой GaSb (100) твердые растворы Ga1-xInx Asy Sb1-y:

x = 0.14-0.27, y = 0.12-0.22 (ширина запрещенной зоны Eg = 0.59-0.49 эВ при T = 300 K). Для предельного состава с содержанием индия в твердой фазе x = 0.27 удалось получить толщину эпитаксиального слоя 1.5 мкм. Во всех образцах свинец методом количественного рентгеноспектрального микроанализа не обнаружен. Изучение гальваномагнитных свойств нелегированных [6], а также легированных теллуром [7] и германием твердых растворов GaInAsSb, выращенных из свинцовых растворов–расплавов, показало их перспективность для создания оптоэлектронных приборов спектрального диапазона 1.8–3.0 мкм.

В данной работе сообщается о создании светодиодов LED2.3 и LED2.44 с длиной волны максимума спектра излучения = 2.3 и 2.44 мкм, созданных на основе твердых растворов GaInAsSb, выращенных из свинцовых растворов–расплавов.

Рис. 1. a — энергетическая схема светодиодных структур.

¶ E-mail: parkhomen@mail.ioffe.ru b — конструкция светодиода.

Инфракрасные светодиоды на основе твердых растворов GaInAsSb... таксиальных слоев Ga1-x Inx AsySb1-y использовались In 3. Светодиоды с длиной волны чистотой 99.999 мас%, Sb чистотой 99.999 мас%, Pb излучения = 2.3 мкм чистотой 99.9999 мас%, а также бинарные соединения GaSb и InAs. Согласно данным рентгеновской дифракВ качестве активного слоя светодиодной структуры тометрии относительное рассогласование периодов крииспользовался твердый раствор Ga0.79In0.21As0.16Sb0.сталлических решеток слоя и подложки GaSb ( a/a) не (Eg = 0.534 эВ при T = 300 K) толщиной 2 мкм. Наипревышало 1.0 · 10-3.

большая эффективность излучательной рекомбинации Светодиоды на основе гетероструктур GaSb/ была получена для светодиодов, в которых активная обGaInAsSb/GaSb создавались методом стандартной ласть не легировалась и концентрация дырок, согласно фотолитографии и представляли собой меза-структуры данным, полученным по результатам измерений эффекдиаметром 300 мкм со сплошным контактом (рис. 1, b) та Холла, составляла p = 3 · 1018 см-3 при T = 300 K со стороны подложки GaSb и точечным контактом (p = 4.6 · 1016 см-3 при T = 77 K). Эмиттерный слой диаметром 100 мкм со стороны широкозонного GaSb легировался теллуром до концентрации электрослоя GaSb. Омические контакты к материалам nнов n =(1-4) · 1018 см-3 при T = 300 K.

и p-типа проводимости формировались с помощью Вольт-амперные характеристики (ВАХ) светодиодов вакуумного напыления, при этом использовались при T = 300 K приведены на рис. 2. Напряжение отсечки Cr/Au+Te/Au и системы Cr/Au+Ge/Au соответственно.

для прямой ветви ВАХ составляет 0.4 В, а рассчитанное Чипы размером 500 500 мкм2 монтировались на последовательное сопротивление 2.5 Ом.

стандартных корпусах ТО-18.

Спектральные характеристики при T = 300 и 77 K, Спектральные характеристики светодиодов исследополученные при питании импульсным током со скважвались с помощью автоматизированной установки на ностью Q = 2 (меандр) и частотой f = 512 Гц, представоснове монохроматора DK-480 (CVI Laser Corp., USA) лены на рис. 3.

и InSb-фотодиода (Judson Technologies), охлаждаемоКак видно из рис. 3, при T = 300 K спектры излучения го жидким азотом. Обработка сигнала фотоприемнисостоят из одиночной полосы с длиной волны, соотка осуществлялась по схеме синхронного детектироваветствующей максимуму интенсивности, = 2.29 мкм ния с помощью селективного усилителя SR 810 (SRS (энергия фотона h = 0.541 эВ) при токе I = 100 мА.

Inc., USA). Измерения проводились при температурах С увеличением тока до I = 220 мА максимум спектра T = 300 и 77 K при питании светодиодов импульсным излучения смещается в длинноволновую область на током с разными длительностью и частотой следования = 0.02 мкм. Ширина полосы излучения на полоимпульсов.

вине высоты (FWHM) при этом изменяется от 0.Для исследования температурных зависимостей элекдо 0.23 мкм. Эти данные говорят о незначительном влитролюминесцентных характеристик светодиодные чипы янии разогрева структуры на электролюминесцентные монтировались на термохолодильник Пельтье, располохарактеристики при протекании питающего тока.

женный на корпусе ТО-5.

При охлаждении до T = 77 K максимум спектра изВнешний квантовый выход излучения (ext) определучения смещается на = 0.24 мкм в коротковолнолялся из токовой зависимости оптической мощности вую сторону и длина волны составляет = 2.05 мкм излучения по формуле (h = 0.605 эВ), что соответствует ширине запрещенной e P зоны активной области Eg(77 K) =0.608 эВ. С увелиext = 100%, (1) hc I чением тока от 50 до 200 мА положение максимума где P — интегральная мощность излучения, I — ток, — длина волны, e — заряд электрона, h — постоянная Планка, c — скорость света.

Пространственное распределение интенсивности излучения светодиодов исследовалось при помощи установки, в которой образец вращался вокруг оси, лежащей в плоскости p-n-перехода. Диаграммы направленности снимались для двух направлений оси вращения: параллельно боковым противоположным граням чипа и под углом 45 к ним. Чипы монтировались на корпусах ТО-18 с плоским столиком. Измерения проводились при комнатной температуре при питании светодиода прямоугольными импульсами тока со скважностью Q = 2 и частотой следования f = 523 Гц. В качестве приемника использовалось неохлаждаемое PbSe-фотосопротивление с площадью фоточувствительной площадки 1 4мм2, Рис. 2. Вольт-амперная характеристика светодиода LED2.3.

расположенное на расстоянии 0.05 м от светодиода. при T = 300 K, скважности Q = 2, частоте f = 512 Гц.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1468 А.П. Астахова, Е.А. Гребенщикова, Э.В. Иванов, А.Н. Именков, Е.В. Куницына...

плоскости, содержащей диагональ эпитаксиального слоя светодиодного чипа. При данной конструкции выход излучения из светодиода происходит как через лицевую грань, так и через боковые грани кристалла. Интенсивность излучения в центре диаграммы определяется главным образом выходом его через лицевую грань, перпендикулярно плоскости p-n-перехода; обозначим ее как P. При углах, отличных от нуля, к излучению через лицевую грань добавляется излучение через боковые грани. Когда ось вращения, лежащая в плоскости p-n-перехода, параллельна двум противоположным боковым граням, а двум другим перпендикулярна, добавляется излучение, выходящее только через одну боковую грань. Когда ось вращения направлена под углом 45 к боковым граням, добавляется излучение, выходящее из двух боковых граней. Поэтому в диагоРис. 3. Спектры электролюминесценции светодиодов LED2.нальном направлении интенсивность излучения больше.

(1–4) — T = 300 K, ток накачки, мА: 1 — 50, 2 — 100, 3 — 150, 4 — 220. (5–8) — T = 77 K, ток накачки мА: 5 — 50, Анализ формы диаграммы направленности показывает, 60 — 100, 7 — 150, 8 — 200.

что распределение излучения через каждую грань близко к косинусоидальному, что позволяет определить эффективную интенсивность излучения перпендикулярно боковой грани: P = P tg max. Интенсивность излучения при угле отклонения от нормали к лицевой грани = 90 меньше, чем P, в основном из-за ограниченной площади корпуса, отражающей излучение. В результате того что через лицевую грань излучение выходит в полупространство, а через боковую только в четверть всего пространства, суммарная интенсивность P будет пропорциональна величине (P + 2P ). Рассматриваемые светодиоды, имея max = ±31, излучают через четыре боковые грани на 20% больше, чем через лицевую грань.

На рис. 5 представлена зависимость интегральной оптической мощности светодиода от тока. В квазинепрерывном режиме (Q = 2) (вставка к рис. 5) максимальная величина мощности P = 0.94 мВт получена Рис. 4. Диаграмма направленности излучения светодиодов LED2.3 в плоскости, перпендикулярной плоскости p-n-перехода: 1 — плоскость параллельна боковым граням светодиода; 2 — плоскость содержит диагональ светодиодного чипа в плоскости p-n-перехода.

спектра не меняется. FWHM при токе 200 мА составляет 0.1 мкм.

Температурный коэффициент изменения длины волны максимума спектра составляет / T = 1.5 нм/K, что согласуется с температурным коэффициентом изменения ширины запрещенной зоны. Интенсивность излучения уменьшается в e раз при возрастании температуры на 110C в интервале температур 0-120C.

Как видно из диаграммы направленности излучения светодиода (рис. 4), интенсивность имеет максимумы Рис. 5. Зависимость пиковой оптической мощности светодипри углах отклонения от нормали к плоскости лицевой ода LED2.3 от тока при частоте f = 512 Гц и длительностях наружной грани = max = ±31. При средних углах импульса, мкс: 1 — 0.125, 2 —2, 3 — 32. На вставке — отклонения в плоскости, параллельной боковым граням, зависимость средней оптической мощности светодиода от тока интенсивность излучения в максимумах меньше, чем в при скважности Q = 2 и частоте f = 512 Гц.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Инфракрасные светодиоды на основе твердых растворов GaInAsSb... при токе I = 220 мА. При токах I < 50 мА зависимость P(I) носит сверхлинейный характер. В интервале токов 50-200 мА зависимость практически линейна, что говорит о незначительном разогреве активной области светодиодов током. Экстраполяция линейного участка зависимости P(I) к нулевому значению мощности дает ток отсечки Icut = 20 мА. При токах I > 200 мА измерения проводились в импульсном режиме с длительностями импульса = 0.125, 2, 32 мкс. P(I) имеет практически линейный характер до I 2.5А при = 0.125, 2 мкс и до I 1А при = 32 мкс. Затем зависимость переходит в сублинейную для всех. Как можно видеть, уменьшение длительности импульса приводит к продлению прямолинейного участка зависимости P(I). Максимальная пиковая мощность излучения P = 126 мВт достигнута при I = 3 А, длительности импульса = 0.125 мкс и Рис. 7. Спектры электролюминесценции светодиодов частоте f = 512 Гц.

LED2.44. (1–3) — T = 300 K, ток накачки, мА: 1 — 100, 2 — 150, 3 — 220. (4–6) — T = 77 K, ток накачки, мА:

Внешний квантовый выход излучения исследованных 4 — 100, 5 — 150, 6 — 200.

светодиодов при комнатной температуре составляет ext 1.6% при токе I = 220 мА. Дифференциальный внешний квантовый выход фотонов максимален при токе I = 100 мА и составляет ed = 2%.

(меандр) и частотой следования f = 512 Гц при T = и 77 K приведены на рис. 7. Как видно из рисунка, спектр электролюминесценции при T = 300 K имеет макси4. Светодиоды с длиной волны мум на длине волны = 2.44 мкм, что соответствует излучения = 2.44 мкм h = 0.508 эВ. Данная величина несколько больше расчетного значения ширины запрещенной зоны материала В качестве активного слоя светодиодной структуры активной области Eg = 0.506 эВ. FWHM пика при токе использовался твердый раствор Ga0.75In0.25As0.22Sb0.78 I = 100 мА составляет 0.26 мкм.

(Eg = 0.506 эВ при T = 300 K) толщиной 1.2 мкм, При изменении тока от 50 до 200 мА спектральный легированный Te до концентрации электронов максимум излучения светодиода не меняет положения, n = 3 · 1018 см-3. В качестве широкозонного эмиттера при этом FWHM также остается неизменной, что говоиспользовался легированный Ge до концентрации дырок рит о незначительности нагрева структуры при протекаp 5 · 1018 см-3 эпитаксиальный слой GaSb.

нии тока и малом уровне возбуждения. Наблюдаемый Вольт-амперная характеристика светодиода, представпровал на спектре электролюминесценции светодиода ленная на рис. 6, имеет диодный характер с напряженипри 2.42 мкм связан с особенностями спектральной ем отсечки 0.4 В (при T = 300 K) и последовательным характеристики используемой дифракционной решетки сопротивлением 1.7 Ом при прямом смещении.

(300 штрихов/мм). Кроме того, в области длин волн Спектральные характеристики излучения светодиода 2.60-2.72 мкм проявляются интенсивные линии поглопри питании импульсным током со скважностью Q = щения воды и углекислого газа.

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.