Особенности излучательной рекомбинации в p-n-гетероструктурах InGaN-AlGaN-GaN с множественными квантовыми ямами и светодиодах на их основе, страница 3

Свет выводился изкристалла через сапфировую подложку. Зеркало со стороны р- области обусловливаетбольшее влияние интерференции, вызванное многократным отражением излучения отграниц раздела GaN-сапфир и зеркала.На рис. 1(б) показана энергетическая диаграмма, рассчитанная аналогично [5], но скачественным учетом влияния пьезоэлектрических полей в МКЯ.

Диаграмма показана припрямом смещении в предположении, что в области МКЯ разность квазиуровней Фермипостоянна и равна падению потенциала на этой области: eU = Fn − Fp .СД белого свечения получали смешением синего излучения кристалла сизлучением желто-зеленого люминофора. Количество люминофора варьировалось, чтопозволяло изменять спектры и цветовые характеристики СД. Также приводится описаниеосветительных модулей с регулируемой цветовой температурой и полноцветныхсветодиодов, исследованных в работе.11+2.8 V Bias VoltageEcEv0ECp-GaNEnergy, eV-1p-AlGaN5 MQW InGaN/GaN-2eUEg*n-GaN-3EV-41000120014001600180020002200Distance, Angstromsа)б)Рис.

1. Схема расположения слоев p-n- гетероструктуры InGaN/AlGaN/GaN (а) и ееэнергетическая диаграмма в прямом смещении (б).5. Экспериментальные результаты.Описываются основные экспериментальные результаты работы. Исследовалисьспектры излучения, вольтамперные характеристики и эффективность синих и белыхсветодиодов на основе гетероструктур, выращенных на SiC и Al2O3 подложках; цветовыехарактеристики белых светодиодов.Максимумы в спектрах излучения синих светодиодов на основе гетероструктур,выращенных на SiC подложках, изменяются в пределах длин волн λmax ≈ 455÷450 нм( ωmax = 2.729 ÷ 2.755 эВ) при изменении тока от 10 до 350 Из периодаинтерференционной модуляции спектров ∆λ = (17 ± 1) нм была оценена общая толщинаслоя GaN и активной области структур d ≅ 2.3 мкм.

Зависимость излучения икоэффициента полезного действия синего диода от тока имеет пологий максимум вблизитоков J = 300÷350 мА (плотности токов j = 38 ÷ 44 А/см2). При увеличении тока до 350 мАмощность излучения синих СД с полимерным корпусом достигала 200-270 мВт, чтосоответствовало КПД ηP ≅ 21-28%.Светоотдача (соответствующий световой поток) белых СД в зависимости отсодержания люминофора изменялась от 26 до 40 лм/Вт (30–50 лм), а их коррелированнаяцветовая температура – от 4500 до 11600 К.На рис. 2 представлены спектры излучения характерных образцов синих СД, наоснове гетероструктур, выращенных на Al2O3 подложках, из двух серий, которые12отличались тем, что гетероструктура образцов первой серии (а) в качестве барьера,ограничивающего инжекцию электронов в р- область, содержала слой i-GaN, агетероструктура образцов второй серии (б) в качестве такого барьера содержала слойp-AlGaN.E060718aR\82.739 eV452 nm1 mA50 mA350 mA1002.743 eV452 nm21mA50mA350mA10110intensity, a.u.intensity, a.u.102.655 eV467 nm1∆ ωmax = 70 meV0.10102.661 eV466 nm∆ ωmax = 82 meV-110-210FWHM = 186 meVFWHM = 167 meV-3100.012.22.42.62.83.03.22.2Energy ω, eV2.42.62.83.03.23.4Energy ω, eVа)б)Рис.

2. Спектры электролюминесценции синих светодиодов при изменении тока от 1 до350 мА и комнатной температуре с барьерным слоем i-GaN (а) и p-AlGaN (б).Характерным для спектров образцов всех серий является положение максимумаинтенсивности в синей области спектра:ωmax ≈ 2,70–2,78 эВ (λmax ≈ 445–460 нм) притоках 100–350мА, а также сдвиг максимума в коротковолновую область с ростом тока.Толщина слоя GaN, определенная из периода интерференции, составила D = 5.3 ÷ 6.0 мкм.Существенное отличие среднего значения энергии флуктуаций потенциала длясерии с барьером i-GaN (серия 1) и серии с барьером p-AlGaN (серия 7) E0 = 56 и 75 мэВ,соответственно, объясняется большим разрывом зон на гетерограницах AlGaN/InGaN и,следовательно, большими флуктуациями потенциала. Описывается и обсуждается влияниевариации технологии на вид спектров и их поведение с изменением тока.На вольтамперных характеристиках некоторых образцов с высоким уровнемлегирования слоев в n-области или в барьерах активной области МКЯ наблюдаетсятуннельная компонента тока.

На ВАХ образцов, не содержащих барьерного слоя p-AlGaN,в некоторых случаях наблюдался участок с отрицательным наклоном в областинапряжений, приблизительно соответствующих началу инжекции (рис. 3).13ωmax = 2.676 eV10001002.307 VE060529a2.700 V10eU =2.689 eVIntensity, arb. units10Current J, mA2.700 eVJ = 20 mAV = 2.889 V10.10.01Eg* = 2.789 eV12.307 eV1E-30.11E-41.01.52.02.53.02.33.52.42.52.62.72.82.93.0Energy ω, eVVoltage V, Vа)б)Рис.

3. Вольтамперная характеристика и спектр излучения СД серии с высоким уровнемлегирования n-области (серия 7). Стрелками отмечены начало и конец участка сотрицательным дифференциальным сопротивлением (а) (открытыми точкамипредставлена ВАХ образца с низкой туннельной составляющей тока из той же серии). Этиже напряжения отмечены на спектре образца из той же серии с обозначением положениямаксимума, падения напряжения на активной области и эффективной ширинызапрещенной зоны (б).Наличие такого участка отрицательного дифференциального сопротивлениясвязывается с появлением шунтирующих туннельных каналов, пронизывающих активнуюобласть тех образцов, которые отличаются малым квантовым выходом.Зависимости КПД от тока наиболее эффективных образцов синих светодиодов изсерий, различающихся уровнями легирования структуры с барьером i-GaN, а также вструктурах с барьером p-AlGaN, приведены на рис.

4.Зависимость эффективности излучения светодиода от тока имеет максимум вобласти токов J ≈ 1–20 мА и спадает при более высоких токах (примерно в 2,5 раза притоке 100 мА). Наибольшие значения максимума КПД достигаются при меньших значенияхтоков. Максимальная мощность излучения синих СД достигнута при использованииструктур с барьерным слоем AlGaN и составила 46 мВт при токе 100 мА. Максимальноезначение КПД таких образцов достигает 28% при токе J = 2 мА и 17% при токе 100 мА.1435.0с барьером p-AlGaNEfficiency factor, %30.025.028 %серия с барьером i-GaN20.015.0увеличенноелегированиеn-области (x3)10.05.0x2.5x10увеличенное легирование барьеровактивной области110100Current J, mAРис.

4. Зависимости КПД от тока СД различных серий.ЭффективныеширинызапрещеннойзонывобластиМКЯInGaN/GaN,определенные из аппроксимации экспериментальных спектров электроотражения (рис. 5)формулой Аспнеса, соответствующей низкополевому случаю электроотражения [6],составили 2.74 – 2.86 эВ. На рис. 5 для сравнения приведены спектры электроотражения иэлектролюминесценцииодногоизСД.Вобластиэнергий,соответствующейкоротковолновому спаду полосы электролюминесценции, наблюдается линия в спектреэлектроотражения.Сравнение спектров электролюминесценции и электроотражения показали, чтозначения эффективной ширины запрещенной зоны в области множественных квантовыхям, полученные из спектров электроотражения (Ei), больше аналогичных величин (E*g),полученных из спектров электролюминесценции. Это связывается с различием условийизмерений для указанных спектров: в открытом (электролюминесценция) и закрытом(электроотражение) p-n- переходе разное направление внешнего (модулирующего)электрического поля.

Разные направления внешнего электрического поля приводят кразному изгибу зон в активной области p-n- перехода и, следовательно, к различнымвеличинам эффективной ширины запрещенной зоны.15ωmax= 2.654 eVBlue LED N 120,InGaN/AlGaN/GaN,MQW*EL intensity, a.u.∆R/R, a.u.Eg = 2,71 eVEi = 2,757 eV2,12,22,32,42,52,62,72,82,93,03,13,2/R∆nEtinLEEnergy ω, eVРис. 5. Спектры электроотражения и электролюминесценции светодиода №120. Стрелкамиотмечены максимум и эффективная ширина запрещенной зоны Eg* в спектреэлектролюминесценции и эффективная ширина запрещенной зоны Ei, определенная изаппроксимации спектра электроотражения формулой Аспнеса [6].В завершающем разделе пятой главы приводятся результаты исследованияполноцветных (RGB) СД и осветительных модулей на основе белых и желтых СД.Проводится аналитическое моделирование спектров полноцветных модулей, позволяющееопределить токи, при которых их координаты цветности достигают заданных значений.Исследованы цветовые характеристики осветительного модуля, цветовая температуракоторого может изменяться от 3350 до 9900 К изменением тока через светодиоды белого ижелтого свечения.6.