WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 1 Квантовая эффективность и формирование линии излучения в светодиодных структурах с квантовыми ямами InGaN/GaN ¶ © Н.И. Бочкарева, Д.В. Тархин, Ю.Т. Ребане, Р.И. Горбунов, Ю.С. Леликов, И.А. Мартынов, Ю.Г. Шретер Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 30 мая 2006 г. Принята к печати 19 июня 2006 г.) Исследованы спектры электролюминесценции, фотолюминесценции и фототока в структурах с квантовыми ямами In0.2Ga0.8N/GaN с целью выяснения причин падения квантовой эффективности с увеличением прямого тока. Установлено, что квантовая эффективность падает, когда энергия излучаемого фотона приближается к порогу подвижности в слое In0.2Ga0.8N. Порог подвижности, определенный из спектров фототока, составил Eme = 2.89 эВ. При энергиях h >2.69 эВ носители заряда имеют вероятность туннелировать на безызлучательные центры рекомбинации, поэтому время жизни и квантовая эффективность падают.

Туннельная инжекция в глубокие локализованные состояния обеспечивает максимальную эффективность электролюминесценции, что объясняет причину характерного максимума эффективности светодиодов при плотностях тока, значительно меньших, чем рабочие. Заселение глубоких локализованных состояний в „хвостах“ плотности состояний InGaN играет также доминирующую роль в формировании линии излучения.

Обнаружено, что рост эффективности и „красный“ сдвиг спектра ФЛ с напряжением коррелирует с изменением фототока и связаны с уменьшением разделения фотоносителей в поле области объемного заряда и их термализацией в глубокие локализованные состояния.

PACS: 73.40.Kp, 73.63.Hs, 78.55.Cr, 78.60.Fi, 78.67.De, 85.60.Jb 1. Введение Так, наблюдавшийся в ряде работ стоксов сдвиг между линией излучения и краем спектра поглощения или Высокую квантовую эффективность излучения кванто- фототока объясняется возможностью излучать фотоны вых ям InGaN/GaN в литературе часто связывают с ло- с меньшей энергией, чем поглощенные, в результате кализацией экситонов на флуктуациях потенциала в ак- перекрытия между волновыми функциями электрона и тивном слое InGaN и на интерфейсах InGaN/GaN [1–5].

дырки, пространственно разделенными пьезоэлектричеНеоднородные флуктуации потенциала могут быть выским полем в активном слое InGaN [11] или локазваны флуктуациями состава или разделением фаз в лизацией оптически генерированных носителей заряслое InGaN, а также другими несовершенствами крида в потенциальных минимумах [12]. „Голубой“ сдвиг сталла, которые приводят к локальным флуктуациям спектра излучения с увеличением уровня оптической ширины запрещенной зоны в плоскости слоев InGaN или электрической инжекции объясняется заполнением и образованию „хвостов“ плотности состояний [6–8].

„хвоста“ плотности состояний [13] либо экранированиЭкспериментально в активном слое InGaN наблюдаем внутреннего электрического поля генерированными лись как крупномасштабные неоднородности размерами носителями заряда [2,10]. В то же время „красный“ 1 мкм, так и мелкомасштабные неоднородности разсдвиг спектра ФЛ, наблюдающийся при росте прямого мерами < 20-60 нм, обогащенные по составу In [6–7,9].

смещения, объясняют увеличением электрического поля Считается, что локализация носителей заряда подавляет в квантовой яме InGaN/GaN [14].

латеральную диффузию к центрам безызлучательной Однако в литературе уделяется значительно меньше рекомбинации, включая дислокации, границы зерен или внимания механизму и эффективности электрической раздела фаз, и обеспечивает высокую квантовую эффеки оптической инжекции носителей заряда в активную тивность светодиодов на основе нитрида галлия. Конобласть. Такие исследования способны дать информакурирующим механизмом, уменьшающим перекрытие цию о механизме излучения и необходимы для соволновых функций электрона и дырки в квантовой яме, вершенствования твердотельных источников освещения является встроенное пьезоэлектрическое поле, возникана основе структур InGaN/GaN. Между тем даже в ющее в процессе роста из-за напряжения, вызванного высокоэффективных структурах InGaN/GaN квантовая рассогласованием решеток InGaN и GaN и направленное эффективность максимальна при токах инжекции, сопротивоположно полю области объемного заряда [10].

ставляющих 0.01-0.1 от рабочего тока светодиодов, Степень влияния каждого из этих механизмов на хаи падает при плотности тока > 0.4-4А/см2 [15]. Рарактеристики электролюминесценции (ЭЛ) ифотолюминее в литературе падение коэффициента инжекции с несценции (ФЛ) структур InGaN/GaN остается неопреростом прямого тока связывалось с неэффективным деленной. Многие экспериментальные факты находят захватом электронов в квантовую яму InGaN/GaN и их качественное объяснение в рамках обоих механизмов.

инжекцией в p-GaN [15]. Однако, как было показано в ¶ E-mail: n.bochkareva@mail.ioffe.ru работе [16], при типичной для эффективных структур Квантовая эффективность и формирование линии излучения в светодиодных структурах... плотности дырок в слоях p-GaN и p-AlGaN, равной Np = 3 · 1017-1018 см-3 [17], „перетекание“ электронов „над“ квантовой ямой в слой p-GaN пренебрежимо мало при плотности тока < 103 А/см2. В работе [18] рост инжекционных потерь с напряжением связывался нами с доминированием туннелирования электронов на состояния интерфейсов InGaN/GaN и их безызлучательной рекомбинацией с дырками.

Цель настоящей работы — исследовать механизм формирования линии излучения в структурах с квантовыми ямами In0.2Ga0.8N/GaN и выяснить его роль в падении эффективности электролюминесценции с увеличением прямого тока. С этой целью в работе проведены измерения спектров электролюминесценции, фотолюминесценции и фототока при прямых смещениях структур In0.2Ga0.8N/GaN и проанализирован вклад механизмов инжекции в основные характеристики ЭЛ и ФЛ.

2. Эксперимент Исследовались структуры p-GaN/In0.2Ga0.8N/GaN/ n-GaN с активным слоем In0.2Ga0.8N/GaN толщиной 30, изготовленные методом MOCVD. Структуры содержали полупрозрачный контакт Ni/Au к слою p-GaN и контакт Al/Ti к слою n-GaN. Детали структуры приведены в [19]. Реальная площадь структур S = 6 · 10-4 см2.

Квантовая эффективность структур составила 7% при прямом смещении U = 3В и токе 20мА, длина волны в максимуме спектра излучения составила 465 нм при полуширине спектра 20 нм.

Фотолюминесценция возбуждалась He–Cd-лазером мощностью 20 мВт на длине волны = 325 нм (h = 3.81 эВ) при диаметре пучка 0.9 мм. Измерения спектров фотолюминесценции и электролюминесценции проводились на спектрометре AvaSpec-2048. Измерения спектров фототока проводились при освещении структур монохроматическим светом лампы накаливания с Рис. 1. a — спектры фотолюминесценции (1), электролюпомощью монохроматора МДР-2. минесценции (2) и фототока короткого замыкания (точки — эксперимент, сплошная кривая — результат подгонки по формуле (1)) (3) структуры In0.2Ga0.8N/GaN. U, В: 1 — 2.23, 2 —2.6. I, мА: 1 —9.4 · 10-3, 2 —2.2. b — зависимость кван3. Экспериментальные результаты товой эффективности структуры In0.2Ga0.8N/GaN от прямого и их обсуждение напряжения.

3.1. Спектры излучения и фототока На рис. 1, a представлены спектры ФЛ и ЭЛ, изСпектр фототока, пропорционального коэффициенту меренные при прямом напряжении 2.23 и 2.6 В соотпоглощения, имеет вид, характерный для уширения края ветственно, и спектр фототока короткого замыкания.

поглощения с экспоненциально спадающими хвостами Представленные спектры ФЛ и ЭЛ имеют близкие плотности состояний [12,20]:

положения максимума излучения (hmax = 2.61 эВ) и -полуширину. В спектре ФЛ наблюдается также полоса Isc(h) 1 + exp (Eme - h)/EU, (1) „желтой“ люминесценции, связанная с присутствием дефектов в слое GaN. Спектры излучения сдвинуты где Eme — порог подвижности („эффективная ширина к меньшим энергиям относительно спектра фототока запрещенной зоны“ в активном слое In0.2Ga0.8N), EU — короткого замыкания Isc(h). При h

На рис. 1, b представлена зависимость квантовой эффективности структуры от прямого смещения.

Максимальная квантовая эффективность наблюдается при напряжении U = 2.6 В и токе 2 мА и составила max = 10.5%. При увеличении напряжения до рабочего напряжения в светодиодах U = 3 В и тока до 20 мА квантовая эффективность падает до = 0.66max = 7%.

3.2. Немонотонное увеличение прямого тока при освещении На рис. 2 представлены зависимости тока от напряРис. 3. Зависимости прямого тока (1), увеличения прямого жения, измеренные без освещения (кривая 1) и при тока IL (2) и интенсивности фотолюминесценции (3) при освещении лампой накаливания (кривые 2–4). В идеаль- лазерном возбуждении, интенсивности электролюминесценной p-n-структуре при прямом смещении световой ток ции (4), энергии пиков спектров ФЛ (5) и ЭЛ (6) от прямого напряжения.

IL(U, L) равен сумме прямого тока I(U), не зависящего от интенсивности света L, и фототока Isc(L), не зависящего от напряжения: IL(U, L) =I(U) - Isc(L). Из рис. видно, что световой ток уменьшается с напряжением ток IFL немонотонно увеличивается при освещении:

быстрее, чем растет темновой ток, так как прямой IFL(U, L) =I(U) + IL(U, L).

Немонотонное поведение светового тока с напряжением наблюдалось и при лазерном возбуждении ФЛ GaN (h >Eg ). При лазерном возбуждении наблюдался фототок Isc = 40 мкА. Так как прямой ток неосвещенной структуры при U < 2 В меньше 1 мкА, в идеальной p-n-структуре световой ток должен был бы отличаться от Isc не более, чем на 1 мкА до U 2 В. Следовательно, по крайней мере при U < 2 В прямое смещение не должно было бы оказывать заметного влияния на разделение носителей заряда, генерированных светом.

На рис. 3 представлены зависимости прямого тока (кривая 1) и разности между прямыми токами освещенной и неосвещенной структур IL(U) IL(U) +Isc - I(U) (кривая 2) от прямого смещения. На кривой IL(U), как и при освещении светом с энергиями фотонов GaN h

Величина фотоэдс холостого хода составила Uoc = 2.28 В. Отметим, что в отсутствие влияния освещения на величину прямого тока и IL(U) =0 при Isc = 40 мкА равенстов I(U) =Isc достигалось бы при большей величине фотоэдс Uoc = 2.36 В.

Избыточный ток структур с квантовыми ямами InGaN/GaN, наблюдающийся при напряжениях, меньших напряжения UEL, при котором обнаруживается ЭЛ, связывают с туннелированием носителей заряда в локальных дефектных областях [21–23]. В работе [18] Рис. 2. Вольт-амперные характеристики неосвещенной (1) избыточный ток связывается с туннелированием элеки освещенной лампой накаливания (2–4) структуры тронов на состояния, локализованные на интерфейсах In0.2Ga0.8N/GaN. Вставка — изменение наклона характеристик InGaN/GaN, и их рекомбинацией с дырками. Диффеlog I(U) (1) иlog IL(U) (2) с увеличением прямого напряжения.

Интенсивность света, мВт/см2: 2 — 20, 3 — 50, 4 — 100. ренцирование кривых log IL(U) и log I(U) (см. вставФизика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Квантовая эффективность и формирование линии излучения в светодиодных структурах... ку к рис. 2) показывает, что уменьшение их




© 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.