Особенности излучательной рекомбинации в p-n-гетероструктурах InGaN-AlGaN-GaN с множественными квантовыми ямами и светодиодах на их основе, страница 2

Аналитическое моделирование спектров трехцветных светодиодныхмодулей позволяет достигнуть координат цветности в заданных точках на цветовыхдиаграммах.1.5. Научная и практическая ценность.Модернизированспектральныйизмерительныйкомплекс,позволяющийисследовать люминесцентные и электрические свойства светодиодов на основе нитридагаллия в широком динамическом диапазоне токов возбуждения (от 10-7 до 2 А) иинтенсивностейизлучения(5порядков)свысокимразрешением(до≈0.1Å).Экспериментальные установки совместно с разработанным программным обеспечениемтеоретическойобработкиспектровпозволяют6проводитькомплексныйанализлюминесцентных и электрических свойств светодиодов.

Установки были использованы имогут быть использованы в дальнейшем для контроля технологии создания светодиодовна основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами.Результатыисследованийпозволиливыявитьособенностиизлучательнойрекомбинации в светодиодных гетероструктурах на основе GaN с множественнымиквантовыми ямами. Показано, что основная полоса в спектре излучения синихсветодиодов определяется механизмом излучательной рекомбинации в двумерныхструктурах с хвостами плотности состояний, обусловленными флуктуациями потенциала,с учетом нагрева и особенностей вывода излучения из структуры.Результаты исследований позволяют оценить влияние технологии изготовлениясветодиодных гетероструктур на основе GaN на люминесцентные свойства светодиодов ввидимой и ближней УФ области спектра и позволили сформулировать рекомендациитехнологическимгруппампоизготовлениюгетероструктурInGaN/AlGaN/GaNсмножественными квантовыми ямами и светодиодов на их основе.Результаты исследований цветовых характеристик различных светодиодныхмодулей продемонстрировали их возможности для решения различных задач целейосвещения и индикации и отображения информации.Это определило практическую ценность работы.Результаты диссертации были использованы в Научно-техническом отчете подоговору N 170/05-К от 20.08.2005 с Московским Комитетом по Науке и Технологиям(МКНТ ГА-159/05), в котором даны рекомендации по применению белых светодиодов восвещениииразработкесреднесрочнойцелевойПрограммыг.Москвы«Энергосберегающее освещение на базе светодиодных технологий».Результаты диссертации были использованы в Научно-техническом отчете подоговору N 104/05-К от 23.05.2005 с ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника», в котором данырекомендации по технологии выращивания p-n- гетероструктур для создания эффективныхсветодиодов синего и белого свечения.1.6.Достоверностьисследованийспектроврезультатовлюминесценции,обеспеченаэлектрическихкомплекснымихарактеромструктурныхсвойствсветодиодов, подтверждением результатов экспериментальных измерений теоретическимирасчетами.71.7.

Апробация работы.Результатыдиссертационнойработыдоложенына5Российскихи4Международных научных конференциях и обсуждались на семинарах кафедры физикиполупроводников физического факультета МГУ:1.4-я и 5-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия:структуры и приборы», г. C.-Петербург 2005, Москва 2007.2.7-я Российская Конференция по физике полупроводников, Звенигород, 2005г.3.VII и VIII Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников иполупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 2005, 2006.4.VIII Международная конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии имикросистемы».

Ульяновск, 2006.5.Научно-техническая конференция «Молодые светотехники России». Москва, 2005.6.12 Междун. Конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика»,Москва, МЭИ, 2006 г.7.VI Международный Светотехнический Конгресс «Свет без границ». Калининград,Светлогорск, 2006.8.MRS Fall Meeting 2006. Boston, 2006.9.Тринадцатая Междунар.науч.-техн.

конф. студентов и аспирантов. М.: МЭИ, 2007.10. Ломоносовские чтения, секция физики, Москва, 2007.1.8. Структура и объем диссертации.Диссертация содержит 8 глав – введение, литературный обзор, теоретический обзормеханизмов излучательной рекомбинации в квантовых ямах, методику экспериментов,описание экспериментальных результатов, обсуждение результатов, выводы, списоклитературы. Работа представлена на 110 страницах, включает в себя 51 рисунок и7 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ2. Литературный обзор.ВовторойглаверассматриваютсягетероструктурыAlGaN/InGaN/GaNсквантовыми ямами и технологии их роста, методы легирования и активации примесей.Освещаются такие характеристики нитридных гетероструктур, как наличие в нихпьезоэлектрической поляризации и квантово-размерного эффекта Штарка, а также ихвлияние на вид спектров излучения.8ЧастьобзорапосвященамеханизмамрекомбинациивгетероструктурахInGaN/AlGaN/GaN, в частности, механизму рекомбинации в хвостах плотности состояний.Отмечается влияние на вид спектров особенностей вывода излучения из структуры,делается вывод, что спектры могут быть описаны в рамках довольно простой модели иотмечается необходимость теоретического анализа для выявления пределов применимостимодели и ее возможностей для количественного описания спектров.В следующей части литературного обзора приведены сведения о спектроскопиифото- и электроотражения гетероструктур и методики ее проведения.

Рассмотреныпринципыконструированиясветодиодовиотмечаетсяуникальнаявозможностьисследований p-n- гетероструктур с квантовыми ямами методами модуляционнойспектроскопии для структур, смонтированных p-областью к теплоотводу.Далее проводится обзор литературных данных по белым светодиодам различныхконструкций и их цветовым характеристикам. Обращается внимание на гибкиевозможности, предоставляемые светодиодными источниками для целей освещения,индикации и обеспечения светоцветового комфорта при индивидуальном освещении.3. Модель двумерной комбинированной плотности состояний.В третьей главе диссертации рассматривается модель двумерной комбинированнойплотности состояний, на основе которой проводится анализ спектров излученияисследованных светодиодов и обсуждение полученных результатов. Двумерный характерструктуры описывается функцией двумерной комбинированной плотности состоянийN2D( ω, Eg*, E0), в которой влияние различных флуктуаций потенциала в активной областибыло учитывается экспоненциальным спадом с параметром E0, а эффективная шириназапрещенной зоны Eg* предполагается зависящей от флуктуаций потенциала и от уровнейразмерного квантования в квантовых ямах:N 2 D ( ω, E g∗ , E0 ) =N 02 D⎛ ω − E g∗ ⎞1 + exp ⎜ −⎟E0 ⎠⎝(1)В условиях не слишком больших уровней возбуждения и малой концентрацииносителей тока их распределение не вырождено, тогда произведение функции заполненияэлектронных состояний вблизи дна зоны проводимости(f c Ec∗ , Fn , kT)и дырочных∗состояний вблизи потолка валентной зоны [1 − f v (E v , Fp , kT )] можно записать в виде:9f c [1 − f v ] =(1≡ f F E *g , ∆F , kT*⎛ ( ω − E g ) − ∆F ⎞1 + exp ⎜⎟⎜⎟kT⎝⎠)(2)где∆F = −( E g∗ − eU ) = ( ∆Fn + ∆Fp ) < 0 .(3)Количественное описание спектров зависит и от функции интерференционноймодуляции fif:I ( ω ) = A0 * N 2 D ( ω, E g∗ , E0 ) f c (1-f v )f if ,(4)где постоянный множитель A0* зависит от интенсивности и нормировки спектров.ωmax иЕсли амплитуда интерференционной модуляции существенна, величинаинтенсивностьвинтерференционноймаксимумемодуляцииA0должнызависетьfif.Поэтомумаксимумотпараметровгладкойфункциифункцииωmaxцелесообразно искать из сравнения модельного и экспериментального спектров, введяфункцию fif по формуле:f if (a, ∆E , Eφ ) =12π ( ω − Eφ ) ;1 − a ⋅ cos∆E(5)где a – глубина модуляции, ∆E – период интерференции, Eφ – фаза модуляции (вблизимаксимумаωmax).

Конечная формула для описания формы спектров, таким образом,имеет вид:I ( ω ) = A0 N 2 D f F f if .(6)4. Методика экспериментаВ четвертой главе описана методика эксперимента и автоматизированныеэкспериментальные установки. Установка на базе монохроматора МДР-12 обеспечивалаточность измерений до 1 Å, что соответствовало точности определения энергии квантов0,3–0,4 мэВ при измерениях в синей и зеленой областях спектра (450–550 нм).Температурные измерения проводились с использование элемента Пельтье, которыйохлаждал или нагревал радиатор с закрепленным в нем СД.

Температура корпуса СДрегулируется за счет тока, протекающего через элемент Пельтье, и варьируется винтервале -10–+55оС. Измерения вольтамперных характеристик и относительной10интегральной интенсивности излучения от тока проводились на автоматизированнойустановке с использованием кремниевого фотоэлемента и цифровых приборов спогрешностью не более 0.2%. Также приводится краткое описание методик, результатыкоторых были использованы в работе: исследование светодиодов в растровом электронноммикроскопе и спектроскопия электроотражения светодиодных гетероструктур.В работе исследованы и проанализированы характеристики около 100 образцовсиних и белых СД на основе различных структур с разными конструкциями,разработанных в отечественных лабораториях («ACOL Technologies», НПЦ ОЭП «Оптэл»,ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника»).Светодиоды одной группы были созданы на импортных кристаллах на карбидкремниевых и кремниевых подложках (НПЦ ОЭП «Оптэл»), смонтированных прямыммонтажом со стороны выращенной структуры и с выводом излучения через прозрачнуюподложку из SiC.

Площадь кристалла составляла S = 0.8 мм2 (площадь p-n- перехода), чтопозволяло пропускать большие токи (до 350 мА).Светодиодныеструктурынасапфировыхподложках(ЗАО«Светлана-Оптоэлектроника») были выращены методом металлоорганической эпитаксии наустановке D-180 фирмы VEECO. В процессе выращивания варьировались легирование nобласти, модулированное легирование барьеров в МКЯ донорами. На р- областисоздавалось металлическое зеркало; «чипы» площадью 0,144 мм2 были смонтированыметодом «flip-chip» р-областью к теплоотводящему корпусу (рис. 1(а)).