Особенности излучательной рекомбинации в p-n-гетероструктурах InGaN-AlGaN-GaN с множественными квантовыми ямами и светодиодах на их основе

Московский Государственный Университетимени М.В.ЛомоносоваФизический факультетНа правах рукописиБАДГУТДИНОВ Мансур ЛябибовичОСОБЕННОСТИ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙРЕКОМБИНАЦИИ В p-n-ГЕТЕРОСТРУКТУРАХInGaN/AlGaN/GaN С МНОЖЕСТВЕННЫМИКВАНТОВЫМИ ЯМАМИ И СВЕТОДИОДАХНА ИХ ОСНОВЕ/ 01.04.10 – Физика полупроводников /Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМОСКВА2007Работа выполнена на кафедре физики полупроводниковфизического факультетаМосковского Государственного Университета им.М.В.ЛомоносоваНаучный руководитель:профессор, доктор физико-математических наукА.Э.ЮновичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукА.Н.Ковалевдоктор технических наукА.Е.АтаевВедущая организация:Санкт-Петербургский ГосударственныйЭлектротехнический Университет "ЛЭТИ"Защита состоится «11» октября 2007 года в ________ часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.70 в МГУ им.М.В.Ломоносова по адресу:119992, ГСП, г.Москва, Воробьевы горы, МГУ им.М.В.Ломоносова,криогенный корпус, ауд.2-05а.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им.М.В.Ломоносова.Автореферат разослан«_____» сентября 2007 годаУченый секретарьСпециализированного Совета Д 501.001.70в МГУ им.

М.В.Ломоносовадоктор физико-математических наукпрофессор2Г.С.ПлотниковОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ1.1. Актуальность темы.Исследования и разработки светодиодов на основе гетероструктур нитрида галлия иего твердых растворов ведутся в последние годы интенсивными темпами [1, 2]. Высокийинтерес к светодиодам на основе GaN обусловлен, главным образом, перспективой ихприменения в качестве высокоэффективных, экологичных и долговечных источниковосвещения. В настоящее время синие светодиоды (СД) различных изготовителей достиглиэффективности 63% [3], а светоотдача белых СД на их основе с люминофорнымпокрытием – 131 лм/Вт и 150 лм/Вт, что превосходит эффективность не только лампнакаливания, но и люминесцентных ламп.Однако эти рекордные значения эффективности достигнуты на приборах скристаллами малых размеров (для увеличения вывода света), при малых яркостях (дляминимизации потерь) или с низким качеством цветопередачи (повышенное содержаниежелтого и зеленого излучения, к которому глаз наиболее чувствителен) [4].

Кроме того,неизбежны потери при преобразовании синего излучения в белое с использованиемлюминофора – к примеру, светоотдача 150 лм/Вт, полученная с использованием синегосветодиода с эффективностью 63%, соответствует конечной эффективности примерно в40%. При этом, эффективность светодиода определяется произведением его внутреннегоηi и внешнего ηe квантового выхода. Величина ηi имеет максимум в зависимости от тока.Ее падение при больших токах определяется инжекцией неосновных носителей за пределыактивной области с квантовыми ямами, неоднородностью растекания тока вблизиконтактов и увеличением температуры диода. Внешний квантовый выход излучения ηe,зависит от оптической конструкции – геометрии кристалла и контактов, показателяпреломления и формы фокусирующей линзы.

Сегодня нам недоступно светодиодноеосвещение, которое будет одновременно недорогим, высокоэффективным и с высокойцветопередачей;этиограниченияпрепятствуютширокомураспространениюсветодиодного освещения.Современныемировыепроблемыразработоксветодиодовзаключаютсяводновременном увеличении мощности излучения единичного прибора, увеличениивнутреннего и внешнего квантового выхода светодиода, увеличении тока при которомэффективность диода достигает максимума, увеличении эффективности люминофора иуменьшении стоимости готового прибора.3Разработки эффективных светодиодов активно и на высоком уровне ведутся вроссийских промышленных организациях (ЗАО “Светлана–Оптоэлектроника”, НПЦОЭП “Оптэл”, ЗАО “Кавер Лайт” и др.).

Так, материалы настоящей работы вошли внаучно-технические отчеты по совместным договорам с фирмами ЗАО “Светлана–Оптоэлектроника” и “ACOL-Technologies”, в работы по гранту Московского Комитета поНауке и Технологиям.Актуальность темы обусловлена тем, что p-n-гетероструктуры InGaN/AlGaN/GaNс множественными квантовыми ямами являются основой для разработок эффективныхполупроводниковых светодиодов. Исследование особенностей механизмов рекомбинациив этих структурах позволяет найти пути повышения эффективности и мощности излучениясветодиодов, представляющих большой интерес для различных практических применений,в частности, для общего освещения.1.2.

Основные цели работы.Важнейшей целью исследований гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN сквантовыми ямами является научное обоснование разработок эффективных светодиодов ввидимой области спектра как основы освещения будущего. В рамках этой общейпроблемы в настоящей работе была поставленацель определить особенностиизлучательной рекомбинации в p-n- гетероструктурах InGaN/AlGaN/GaN, а такжеспектральные и электрические характеристики светодиодов на их основе, созданных вразличных технологических условиях и имевших различые конструкции.Для достижения этой цели были поставлены следующие конкретные задачи:1.Усовершенствовать и наладить экспериментальные установки для изучения спектрови эффективности светодиодов в видимой и ближней УФ области спектра, разработатьпрограммное обеспечение для автоматизации измерений и теоретической обработкиспектров.2.Охарактеризовать физические параметры гетероструктур, выращенных в разныхтехнологических условиях, исходя из результатов исследований люминесцентных иэлектрических свойств светодиодов синего свечения в широком диапазоне токов.3.Разработатьмодельколичественногоописанияформыспектровэлектролюминесценции СД на основе нитрида галлия; учесть особенности выводаизлучения из структуры, проанализировать выбор параметров для этого описания.Провести анализ спектров исследованных светодиодов с помощью этой модели.44.Определить спектральные характеристики и эффективность диодов белого свечения,созданных на основе синих светодиодов, с люминофорными покрытиями.

Исследоватьцветовые характеристики светодиодов и светодиодных модулей и дать рекомендацииоб их возможных применениях для источников общего освещения.1.3. Научная новизна результатов, полученных в диссертации:Модель двумерной комбинированной плотности состояний с учетом флуктуацийпотенциала дополнена учетом изменения температуры активной области с током иинтерференционной модуляции излучения в плоской геометрии кристаллов. Этопозволило количественно описать спектры электролюминесценции многослойных p-nгетероструктур InGaN/AlGaN/GaN c множественными квантовыми ямами.Установлено, что часть излучения (до 10% по интенсивности) синих светодиодов наоснове p-n-гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямамиобусловлена рекомбинацией в широкозонных слоях структуры.Показано, что полоса в спектрах электроотражения p-n- гетероструктур типаInGaN/AlGaN/GaN соответствует эффективной ширине запрещенной зоны в активнойобласти InGaN/GaN, определенной из спектров электролюминесценции светодиодов.Показано,чтоанализинтерференционнойструктурывспектрахэлектролюминесценции и электроотражения светодиодов позволяет определять толщинуразных слоев выращенных структур.Показано,чтомаксимумкоэффициентаполезногодействиясветодиодовизменяется в пределах от 12 до 28% и коррелирует с легированием донорами в буфернойсверхрешетке структуры, модулированным легированием барьеров, составом барьерногослоя, ограничивающего инжекцию электронов в p-область.1.4.

Основные положения, выносимые на защиту.1.Форма спектров электролюминесценции светодиодов на основе гетероструктурInGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами описывается модельюизлучательной рекомбинации в хвостах двумерной плотности состояний с учетомособенностей вывода излучения из структуры и температуры активной области.2.Показано, что барьерный слой р-AlGaN в этих гетероструктурах существенно влияетна величину флуктуаций потенциала, определяющих длинноволновый спад спектровэлектролюминесценции светодиодов.53.Исследования, проведенные в диссертации, показали, что вариации технологииизготовления светодиодных гетероструктур на основе GaN, выращенных насапфировых подложках, (увеличение уровня легирования буферной сверхрешетки имодулированного легирования барьеров в активной области структуры, подбортолщины барьера p-AlGaN) позволяют достичь максимальной мощности излучениясиних СД до 46 мВт при токе 100 мА, и максимального значения КПД – до 28% притоке J = 2 мА.4.Полоса в спектрах электроотражения p-n- гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaNвблизи 2.76 эВ соответствует эффективной ширине запрещенной зоны в активнойобласти InGaN/GaN, определенной из спектров электролюминесценции светодиодов.5.Спектры излучения синих СД на основе p-n- гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN смножественными квантовыми ямами, выращенных на подложках из SiC, существенноне отличаются от спектров СД на основе структур на подложках из сапфира.Показано, что КПД исследованных СД на подложках SiC достигает значений ηP = 1622% при токах 100-350 мА.6.Координаты цветности белых светодиодов на основе гетероструктур, выращенных наподложках из SiC и имеющих светоотдачу до 40 лм/Вт, а световой поток – до 50 лмпри токе 350 мА., соответствуют области белого свечения с индексами цветопередачи,достаточными для их применений в освещении.7.Коррелированную цветовую температуру модуля с белыми и желтым светодиодамиможно изменять в пределах от 3340 до 9920 К путем изменения тока через желтыйсветодиод.