B13 Некоторые аспекты поведения рабочих характеристик AlGaInN излучающих диодов

Рабинович О.И., Наими Е.К., Сушков В.П., МИСиС; Никифоров С.Г., ATV Outdoor Systems; г. Москва

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

За последнее десятилетие произошёл прорыв в исследованиях и производстве нитридных многокомпонентных гетероструктур (МКГ), а также приборов на их основе. Обширный диапазон изменения ширины запрещённой зоны (1,95-6,3 эВ), сильные связи взаимодействия и высокая теплопроводность соединений III-й группы, таких как GaN, InN, AlN и их твёрдых растворов InхGa1-хN и AlyGa1-yN, делают их особенно интересными для применения в оптоэлектронных приборах, высокомощной и высокочастотной электронике [1-5]. Яркими представителями оптоэлектронных полупроводниковых приборов являются излучающие диоды (ИД).

Количество областей применения ИД неуклонно расширяется. Сегодня методы производства полупроводниковых материалов, прогресс в создании ИД и появление этих приборов на основе МКГ AlInGaN, позволили решить проблемы увеличения светового выхода, ограниченность диапазона цветов и, главное, создания ИД белого цвета свечения, что ранее препятствовало применению ИД в освещении.

Широкое применение ИД на основе МКГ AlGaInN обнаруживает и проблемы, требующие решения: увеличение эффективности и срока эксплуатации ИД, изучение и прогнозирование деградации рабочих характеристик ИД при влиянии различных воздействий.

Необходимо иметь способ получения оптимальных параметров, причём экономя материальные затраты. Для подобных сложных объектов расчёты основных зависимостей, определяющих качество ИД, таких как вольт-амперные характеристики (ВАХ), внутренний квантовый выход излучения и его зависимость от плотности тока, требуют использования численных методов компьютерного моделирования [6], учитывающих всё многообразие конструктивных, физических и технологических параметров МКГ. Подобный подход  был  успешно  продемонстрирован   для  AlGaInN  лазеров  в  работах  С. Накамуры (Sh. Nakamura) и A. Томчука (A. Tomczyk). Использование компьютерного моделирования представляется актуальным, так как позволяет не только уточнить теоретические характеристики AlGaInN МКГ, но и значительно сэкономить материальные средства при отработке технологии их получения.

Исследовались МКГ AlGaInN типа p+GaN/p+Al0,2Ga0,8N/4·(n-InXGa1-XN-n-GaN)/n+GaN с различным содержанием атомов In (Х) в квантово-размерных ямах (КЯ). Введение в конструкцию МКГ p-Al0,2Ga0,8N-эмиттера обусловлено необходимостью исключить инжекцию электронов из активной области, что особенно важно при моделировании приборов с малым содержанием атомов In. В частности проводилось моделирование МКГ для ИД синего и зелёного цветов свечения с различным по величине и однородным содержанием атомов In (X) в InХGa1-ХN-КЯ в плоскости, параллельной плоскости p-n-перехода, для определения влияния величины Х на электрические и оптические характеристики ИД. Файлы, описывающие приборы, содержали следующие параметры КЯ и барьеров в активной области:

  1. содержание атомов In в КЯ составляло Х = 0,05-0,35 с шагом 0,05;
  2. количество КЯ - 4, длина КЯ равнялась 2 нм при длине GaN-барьеров 3 нм;
  3. КЯ и барьеры в активной области имели n-тип проводимости, концентрация доноров в КЯ равна Nd = 1018 см-3, в барьерах Nd = 1018 см-3;
  4. концентрация доноров в n-GaN-эмиттере, легированном Si, составляла Nd = 1018 см-3;
  5. p-область состояла из контактного слоя GaN и Al0,2Ga0,8N-эмиттера  с  толщиной  80 нм.  Оба  p-слоя  легированы  Mg  с  концентрацией Na = 1019 см-3;
  6. при моделировании температура принималась равной 300 К.

ВАХ МКГ с различным содержанием атомов In в КЯ представлены на рис. 1. При достаточно больших значениях плотности тока, наблюдающиеся отклонения ВАХ МКГ с КЯ от ВАХ с Х = 0, отражаемые зависимостями значений коэффициента неидеальности (n) от J и Х (рис. 2), в основном обусловлены особенностями физических процессов, происходящих  в активной квантово-размерной области.


Рисунок 1. ВАХ многокомпонентных гетероструктур с содержанием атомов In X = 0÷0,35 в квантово-размерных ямах в диапазоне а - j=0,1÷15 А/см2, б - j=15÷500 А/см2


Рисунок. 2. Зависимости величины коэффициента неидеальности (n) ВАХ от плотности тока: при различном содержании атомов In в КЯ

Расчёты ВАХ МКГ показали, что изменение n с плотностью тока зависит не только от содержания атомов In в КЯ, но и от степени легирования барьеров между КЯ.

Анализ поведения ВАХ и зависимость коэффициента неидеальности (n) от плотности тока на МКГ с различным содержанием атомов In (рис. 2) выявляет: в отсутствии КЯ (Х = 0) ВАХ имеет общеизвестный вид; в области малых плотностей тока, вплоть до J = 0,1 А/см2, n›1, что связано с существенным влиянием на значение тока процессов рекомбинации электронов и дырок в области объёмного заряда; затем всё более начинает преобладать ток надбарьерной инжекции носителей заряда, при этом n→1 при малом уровне инжекции (J = 1÷20 А/см2) и n→2 при увеличении уровня инжекции (J = 20÷500 А/см2); наличие КЯ начинает сказываться на виде ВАХ уже при значениях Х=0,05÷0,1, особенно в диапазоне  Х = 0,1÷0,35; при Х›0,1 величина n постепенно растёт во всём диапазоне J = 0,1÷500 А/см2, достигая значений n›2 и даже n 2 при Х›0,15.

При малых значениях Х = 0,05÷0,1 с ростом плотности тока концентрации электронов и дырок в КЯ увеличиваются, а неравномерность их распределений по КЯ уменьшается, при этом значение напряжённости тормозящего электрического поля в квантово-размерной области уменьшается, достигая нуля при Х = 0,1 и J = 100 А/см2. При одном и том же значении J и при Х›0,1 в активной области постепенно начинает возникать ускоряющее электрическое поле, достигающее при Х = 0,2 и J = 100 А/см2 значения 3·105 В/см, а при Х = 0,3 и J = 100 А/см2 значения 1,5·106  В/см (рис. 3).

 
Рисунок 3. Зависимость напряжённости поля от содержания атомов In и её распределение по КЯ при J = 100 А/см2

Кристалл ИД, имеющий площадь p-n-перехода SМКГ, может быть рассмотрен как совокупность параллельно соединенных квантово-размерных областей с различным содержанием атомов In (Х) в МКГ и имеющих площади p-n-перехода S(X) - “нано-ИД”.

В качестве примера (рис. 4, 5) представлены результаты моделирования ИД синего цвета свечения при Т = 300 К. Зонная диаграмма “нано-ИД” с четырьмя КЯ (X = 0,2) при напряжении 3,842 В и Т = 300 К показана на рис. 4.


Рисунок 4. Зонная диаграмма ИД синего цвета свечения с четырьмя КЯ, (Х=0,2; J=100 A/мc2;  T=300 K)                                                                                                               


Рисунок 5. Зависимость плотности тока от   напряжения 1-Х=0,15; 2-Х=0,17; 3-Х=0,2; 4-X=0,22; 5-X=0,25;  T=300 K

Зависимости плотности тока от напряжения (ВАХ) для “нано-ИД” с различным содержанием In представлены на рис. 5. Видно, что при одинаковом напряжении плотность тока зависит от X.

На рис. 6-7 видно хорошее согласие результатов моделирования и экспериментов при том, что результаты моделирования получены без каких-либо дополнительных (сверх базовых физических моделей) приближений и аппроксимаций. Для сравнения представлены экспериментальные ВАХ, измеренные на ИД компании Cree Inc., типа C460MB290E1000.


Рисунок 6. ВАХ ИД синего цвета свечения 1 - результаты моделирования 2 - экспериментальные данные, Т=300 К                                                                                                               


Рисунок 7. Спектры мощности излучения ИД синего цвета свечения 1 - результаты моделирования, 2 - экспериментальные данные, Т=300 К.

По результатам моделирования видно, что через области с пониженным относительно среднего значения содержания атомов In Х=0,2 протекают значительно большие токи, чем через области с повышенным содержанием атомов In (рис. 5). Следовательно, с одной стороны области, через которые протекают большие токи, “выгорают”, т.е. их излучательная способность уменьшается; с другой стороны возможно перераспределение содержания атомов In в сторону увеличения количества областей с повышенным содержанием атомов In. Это объясняет тенденцию смещения спектров излучения в длинноволновую область при длительной наработке ИД (рис. 7). 

Выводы:

  1. Разработана методика компьютерного моделирования электрических и излучательных характеристик МКГ AlGaInN с квантово-размерными ямами, позволяющая учитывать структуру, физические процессы и параметры слоёв кристаллов с различным содержанием атомов In и Al. Методика позволяет рассчитывать вольт-амперные характеристики (ВАХ), внешний квантовый выход мощности и спектры излучения в зависимости от плотности прямого тока, учитывать степень неоднородности состава в КЯ и может быть использована при конструировании МКГ для диодов, излучающих в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
  2. Моделирование показало, что существующий экспериментальный выбор МКГ вида p+GaN/p+Al0,2Ga0,8N/(2-4)·(n-InXGa1-XN-n-GaN)/n+GaN, позволяет получать оптимальные рабочие характеристики ИД при изменении содержания атомов In в активной области от Х = 0,05-0,3 и плотности прямого тока в практически важном интервале J = 0,1-500 А/см2. Экспериментальные ВАХ и спектры излучения ИД синего и зелёного цвета свечения, измеренные в настоящей работе в импульсном режиме, исключающем нагрев МКГ, хорошо согласуются с рассчитанными характеристиками, что является подтверждением работоспособности методики компьютерного моделирования.

Литература:

  1. Jhou Y.D. et al. Nitride-based light emitting diode and photodetector dual function devices with InGaN/GaN multiple quantum well structure // Sol. State Electr. - 2005. - v. 49. - P. 1347-1351.
  2. Gao F., Bylaska E.J., Weber W.J. Intrinsic defect properties in GaN calculated by ab initio and empirical potential methods // Phys. Rev. B. - 2004. - v. 70. - P. 2452081-2452088.
  3. Akasaki I. Nitride semiconductors - impact on the future world // J. Cryst. Growth. - 2002. - v. 237-239. - P. 905-911.
  4. Pankove J.I., Schade H. Photoemission from GaN // Appl. Phys. Lett. -1974. - v.25. - № 1. - P. 53-55.
  5. Zukauskas A., Shur M.S., Gaska R. Light-emitting diodes: Progress in Solid-State Lighting // MRS Bulletin. - 2001. - v. October. - P. 764-769.
  6. Basic research needs for solid-state lighting. Report of the Basic Energy Sciences Workshop on Solid-State Lighting. http://www.sc.doe.gov/bes/reports/files/SSL_rpt.pdf.

Тематика:

Комментариев: 5


» Гаврилкина Галина (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 02:06:25 }

Доклад сугубо специфический. Я бы не назвала его светотехническим. Вряд ли среди светотехников можно найти специалиста, разбирающихся в тонкостях светотдиодного производства. На мой взгляд доклад не для этой конференции.

» Рыжкина Наталья (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 03:06:09 }

Наоборот, информация очень полезна - для изготовителей светодиодов. Еще жива мечта о конкурентноспособном российском производстве светодиодов.

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 11, 2009 - 07:06:39 }

Думается, как обычно, истина - посередине. Если бы авторы более популярно изложили результаты своих исследований, да с выходом на эксплуатационные характеристики…

» Константин Левин (об авторе) { Июнь 12, 2009 - 03:06:50 }

На самом деле речь идет о деградации светоизлучающих диодов(СИД). В статье надо было показать не отдельные ВАХ, при различных плотностях тока(реальные, смоделированные), а модель изменения ВАХ диода с течением времени. Т.е. любой изготовитель светотехнической продукции мог бы по этим характеристикам определить срок службы своих изделий, изготовленных с применением СИД. По возможности надо было представить простую формулу, которая описывает смещения максимума спектра излучения с течением времени.

» Рабинович Олег (об авторе) { Июнь 15, 2009 - 08:06:39 }

Уважаемые участники конференции, спасибо за Ваши замечания и предложения мы их обязательно примем к сведению и постараемся улучшить представление наших результатов.

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
32 queries. 0.095 seconds.