WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1 Неоднородность инжекции носителей заряда и деградация голубых светодиодов © Н.И. Бочкарева¶, А.А. Ефремов, Ю.Т. Ребане, Р.И. Горбунов, А.В. Клочков, Ю.Г. Шретер Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 24 мая 2005 г. Принята к печати 7 июня 2005 г.) Изучены распределение интенсивности электролюминесценции по площади и во времени до и после оптической деградации голубых InGaN/GaN-светодиодов. Проведены измерения I-V -характеристик. Обнаружено, что первоначально наиболее яркое свечение вблизи области металлизации p-контакта сменилось на слабое свечение после деградации светодиода. Обнаружена временная задержка ( 20-40 нс) в распределении интенсивности электролюминесценции по площади светодиодов после их деградации. Предполагается, что рост избыточного тока после деградации обусловлен увеличением плотности состояний на гетерогранице InGaN/GaN и формированием электрического диполя, снижающего потенциальные барьеры в слоях p-GaN и n-GaN. Соответствующее увеличение емкости приводит к временной задержке растекания инжекционного тока и распределения яркости свечения по площади. Планарная неоднородность инжекции носителей заряда в квантовую яму до и после оптической деградации связывается с диффузией и электромиграцией водорода, индуцированной механическими напряжениями. Металлизация p-контакта может быть причиной генерации механических напряжений.

PACS: 85.60.Jb, 78.60.Fi 1. Введение 2. Эксперимент Исследовались голубые светодиоды с InGaN/CaNГолубые светодиоды на основе InGaN являются квантовой ямой шириной 30, рабочим током 20 мА перспективными элементами приборов твердотельного и площадью гетероструктуры S = 6 · 10-4 см2. Детали освещения. По сравнению с лампами накаливания свеструктуры светодиода приведены в работах [7,8].

тодиоды способны обеспечить более высокий квантоДля исследования начальной стадии деградации через вый выход и долговременную стабильность [1]. Однако светодиод в течение нескольких часов пропускались топроцессы деградации продолжают оставаться важной ковые импульсы амплитудой I = 40-50 мА и длительp проблемой для светодиодов. ностью tp = 0.1-10 мкс при частоте повторения 1 кГц.

Деградация светодиода проявлялась в уменьшении опПроведенное в работах [2–4] исследование процесса тической мощности (до 50% от ее величины в рабочем деградации голубых светодиодов фирмы Nichia, ускосветодиоде) и изменении электрических характеристик, ренной сильноточным импульсным режимом при токах а также в появлении временной задержки в распределедо 1500 мА, выявило нестабильное и частично обратинии свечения по площади светодиодной структуры.

мое поведение тока и оптической мощности перед каРаспределение интенсивности электролюминесцентастрофической деградацией. В частности, наблюдалось ции (ЭЛ) по площади светодиодов или неупакованвозникновение омических закороток, которые частично ных чипов изучалось с помощью цифровых микрофомогли „самозалечиваться“ изменением полярности при- тографий. Для получения ЭЛ-изображений светодиодов ложенного напряжения и вновь создаваться под прямым эпоксидный упаковочный колпачок срезался, не нарушая герметичности упаковки, со стороны контактов смещением [2]. Основными процессами, ответственныили подложки параллельно плоскости гетероструктуры, ми за катастрофическую деградацию светодиодов на затем плоскость среза оптически полировалась. Были основе GaN, считаются электромиграция металла из также получены микрофотографии распределения инконтактов вдоль дефектных трубок [2–4] и генерация тенсивности ЭЛ по площади коммерческих светодиодов дефектов [2–6].

фирмы Nichia. Вольт-яркостные (L-V ) характеристики В данной работе изучалась начальная стадия светодиодов измерялись с помощью Si-фотодиода.

деградации светодиодов с гетероструктурой p-GaN/InGaN/n-GaN. Для этого во избежание перегрева 2.1. Нестабильность и гистерезис через светодиод пропускались короткие токовые имI-V-характеристик после частичной пульсы (0.1-10 мкс) небольшой амплитуды (до 50 мА).

деградации На рис. 1, a приведены статические и импульсные ¶ E-mail: n.bochkareva@mail.ioffe.ru I-V -характеристики светодиода до и после частичной Неоднородность инжекции носителей заряда и деградация голубых светодиодов (кривая 3) обнаружило дальнейшее уменьшение тока утечки, но электролюминесценция вновь появлялась только при V 3.8 В. В течение последующих сканирований поведение I-V - и L-V -характеристик оставалось стабильным.

После выключения напряжения на несколько минут или часов часто наблюдалось отсутствие тока вплоть до V = 3.5-10 В, затем светодиод внезапно вспыхивал (ток ограничивался сопротивлением 100 Ом), после чего наблюдалось стабильное свечение и I-V -характеристики, близкие к представленной на кривой 3. Однако иногда светодиод вновь демонстировал I-V -характеристику, подобную представленной кривой 1. В импульсном режиме после частичной деградации светодиод работал стабильно (кривая 4).

2.2. Временная задержка в распределении интенсивности ЭЛ по площади после деградации ЭЛ-изображения светодиодов в импульсном режиме до и после частичной деградации иллюстрируют неоднородность свечения по площади (рис. 2, b–i). Все ЭЛ-изображения получены при одной скважности T /tp (T — период импульса), чтобы средняя мощность была одинакова. Полученные ЭЛ-изображения показывают, что после частичной деградации в светодиодах возникает задержка в распределении интенсивности ЭЛ по площади. В режиме коротких импульсов напряжения при Рис. 1. a — I-V -характеристики светодиода после (1–4) и до (5, 6) частичной деградации оптической мощности, измеренные в статическом (1–3, 5) и импульсном (4, 6) режиме.

Длительность импульса tp = 100 мкс, время задержки для 4 —50 нс. b — зависимости d log I/dV от напряжения для статического (1) и активного тока на частоте 1 МГц (2), измеренные в рабочем светодиоде.

деградации оптической мощности. Гистерезис и нестабильность статических I-V -характеристик при их последовательном измерении после деградации иллюстрируются кривыми 1–3. При первоначальном увеличении напряжения со скоростью 1 В/с наблюдался рост тока до величины I = 10-30 мА при V = 2.2-2.8В (кривая 1). Эмиссия света отсутствовала, вплоть до V 3В.

При V 3 В ток резко уменьшался и одновременно вспыхивала электролюминесценция. При уменьшении напряжения до 2.3 В наблюдался гистерезис I-V -характеристики, а при последующем изменении напряжения в области 2.3-2.9 В наблюдалось обратимое повеРис. 2. a — схема светодиода, иллюстрирующая латеральдение I-V - и L-V -характеристик. После уменьшения ное протекание тока. b–i — ЭЛ-изображения светодиода напряжения до нуля и при последующем втором скапосле (b–e, h–i) и до (f, g) деградации, полученные в имнировании напряжения (кривая 2) появление электро- пульсном (b–g) и статическом (h–i) режимах. tp, нс: b — 22, люминесценции и уменьшение тока утечки наблюдалось c, f — 24, d — 26, e, g, i — 44, h — 70. V, V: f, g — 3;

b–e, h —3.7, i — 4.7. Скважность, T /tp: b–g, i — 50, h — 14.

при V 3.8 В. Следующее сканирование напряжения Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 124 Н.И. Бочкарева, А.А. Ефремов, Ю.Т. Ребане, Р.И. Горбунов, А.В. Клочков, Ю.Г. Шретер tp = 20-30 нс эмиссия света концентрируется вблизи ки, вокруг p-контакта наблюдается более слабая интенполосковых краев p-контактной площадки (рис. 2, b, c). сивность света (рис. 2, h–i).

В светодиодах до деградации ЭЛ-изображения в режиме На рис. 3 и 4 представлены ЭЛ-изображения и раскоротких импульсов более однородны (рис. 2, f, g). При пределение интенсивности ЭЛ в области между n- и длительностях импульсов 50 нс-1 мс ЭЛ-изображения p-контактами рабочих исследуемых светодиодов и светодиода после деградации обнаруживают дефектные участ- диодов фирмы Nichia. Из рисунков видно, что при малых токах (I < 100 мкА) в области p-контактов наблюдается более интенсивная ЭЛ, при больших токах — менее интенсивная.

3. Обсуждение результатов 3.1. Влияние врожденных и индуцированных электрическим стрессом состояний гетерограниц на избыточные токи Токи рабочего светодиода при напряжениях, меньших напряжения „включения“ VEL (в рабочем светодиоде VEL 2.4В), имеют переходную и стационарную компоненты [7,8]. Переходной ток в импульсном режиме и активный высокочастотный ток могут на несколько поРис. 3. a — нормированное распределение интенсивности ЭЛ рядков превышать стационарный (рис. 1, a, кривые 5, 6).

в рабочем светодиоде вдоль слоя p-GaN по направлениям, Индуцированные электрическим стрессом токи утечуказанным стрелками в (b). I, мА: 1, 1 — 0.11, 2, 2 — 20, ки значительно превышают переходные токи рабочего 3, 3 — 150. b, c — ЭЛ-изображения светодиода со стороны светодиода. Однако омические закоротки, возникающие полупрозрачного слоя. I, мА: b — 0.11, c — 150.

после сильноточного электрического стресса [2–4], не наблюдались. Можно отметить корреляцию в зависимостях ток-напряжение до и после деградации. В частности, в области одних и тех же напряжений наблюдаются максимумы на кривых d log I/dV (V ), измеренных до деградации (рис. 1, b), и на кривых I(V ) после деградации (рис. 1, a, кривая 4).

Непротиворечивое объяснение этим фактам может быть дано в рамках туннельно-рекомбинационной модели избыточного тока p-GaN/InGaN/n-GaN-гетероструктур, не дающего вклада в электролюминесценцию [8]. Модель учитывает присутствие отрицательно заряженных акцепторных состояний на гетерограницах InGaN/GaN, пиннингующих уровень Ферми (рис. 5). Переходной ток при малых напряжениях V < VEL обусловлен туннелированием электронов из зоны проводимости n-GaN на состояния гетерограниц. Стационарный избыточный ток определяется рекомбинацией на гетерограницах. Туннельный ток электронов увеличивается с ростом плотности состояний с энергией, соответствующей энергетическому положению дна зоны проводимости в n-GaN. В рамках этой модели особенности зависимостей постоянного и импульсного прямого тока от напряжения, измеренных до и после деградации соответственно, отражают распределение граничных состояний в запрещенной зоне. Корреляция этих зависимостей позРис. 4. a — распределение интенсивности ЭЛ в рабочем воляет сделать вывод, что дефекты на гетерограницах, светодиоде фирмы Nichia между p- и n-контактами вдоль генерируемые при деградации, характеризуются теми направления, указанного стрелкой в (b). Стрелкой отмечено же уровнями энергии, что и до деградации. Отметим, положение края полупрозрачного слоя. I, мА: 1 — 0.018, что этот же вывод сделан ранее в работе [9] на 2 — 0.16, 3 — 1.1, 4 — 2, 5 — 12, 6 — 20, 7 — 46, основании наблюдавшейся корреляции температурных 8 — 100, 9 — 200. b-e —ЭЛ-изображения светодиода фирмы зависимостей емкости светодиода, измеренных до и Nichia, полученные со стороны полупрозначного слоя (b, d) и сапфира (c, e). I, мА: b — 0.018, c — 0.043, d — 46, e — 10. после деградации [7,9].

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Неоднородность инжекции носителей заряда и деградация голубых светодиодов и p-контактным сопротивлением, распределенное слоевое сопротивление n-GaN к n-контактной площадке.

Латеральное протекание тока иллюстрирует рис. 2, a, где p-n-гетероструктура представлена в виде серии микродиодов.

3.2.1. Малые токи, RJ rc, rn, rt-l. Сопротивление рабочего светодиода постоянному току велико при малых токах (при I = 10 мкА составляет 30 кОм) и падает с ростом тока, становясь меньше 100 Ом при I > 2 мА. При контактном сопротивлении слоя p-GaN rc 1-10 Ом (rc = c/S, где c 5 · 10-3-5 · 10-2 Ом · см2 — удельное контактное сопротивление слоя p-GaN), слоевых сопротивлениях слоя n-GaN и полупрозрачного слоя: rn 50 Ом и rt-l 12 Ом соответственно, и I 1 мА имеем rc, rn, rt-l RJ, RJ — внутреннее сопротивление гетероструктуры p-GaN/InGaN/n-GaN. При этом распредеРис. 5. Профиль энергетических зон p-n-гетероструктуры ления тока и интенсивности ЭЛ по площади должны светодиода с InGaN/GaN-квантовой ямой до деградации отражать неоднородность локального внутреннего со(сплошные линии) и его изменение после деградации в участпротивления гетероструктуры.

ках, шунтирующих p-n-гетероструктуру (пунктирные линии).

При малых токах наибольшая интенсивность ЭЛ обнаруживается вокруг p-контакта в рабочих исследуемых светодиодах (рис. 3, b), а также вокруг и под p-контактом Рост сквозного тока утечки при V < VEL в пров светодиодах фирмы Nichia (рис. 4, b, c). Распредецессе деградации может быть связан с формироваления интенсивности ЭЛ между p- и n-контактами, нием электрического диполя в области гетерограниц приведенные на рис. 3-4, также демонстрируют более InGaN/GaN. При этом встроенное напряжение p-n-гетеинтенсивную ЭЛ вблизи p-контакта при малых токах.

роструктуры (Vbi) уменьшается на величину потенциала 3.2.2. Большие токи, RJ rc, rn, rt-l. При диполя (Vdip), так что Vbi = EF/q - Vdip (q — заряд rt-l rn плотность тока уменьшается с расстоянием электрона, EF — разность равновесных уровней Ферми от края n-контакта. В одномерном приближении в слоях n-GaN и p-GaN). В результате локальные характеристическая длина растекания тока, Ls, на потенциальные барьеры в слоях n-GaN и p-GaN снижакоторой плотность тока уменьшается в e раз, может ются. В участках, шунтирующих p-n-гетероструктуру, быть записана в виде [10]: Ls =(c/rn)1/2. При барьерная структура светодиода может быть представc 5 · 10-3-5 · 10-2 Ом · см2 и rn 50 Ом получим в лена в виде двух поверхностно-барьерных переходов с качестве оценки Ls 100-300 мкм.

небольшими барьерами Шоттки (рис. 5). Латеральный Как видно из рис. 3–4, при больших токах вблизи конфайнмент канала утечки должен приводить к сильной n-контактных площадок наблюдается более яркая ЭЛ.

зависимости тока канала от высоты барьеров и ширины Однако по мере удаления от n-контакта интенсивность областей объемного заряда в участках гетероструктуры, ЭЛ спадает немонотонно. Области вблизи p-контакта, примыкающих к каналу. При этом нестабильность тока более яркие при малых токах, становятся менее яркиканала утечки (рис. 1, a, кривые 1–3) может быть ми при больших токах (рис. 3, c и рис. 4, d–e). При связана с перезарядкой граничных состояний в участках, I > 20 мА интенсивность света вблизи p-контакта насыиграющих роль „затвора“ канала.

щается (рис. 4, кривые 6–9).

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.