РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1. Параметри експериментальних зразків
2.1.1. Виготовлення світлодіодів видимої області на основі InGaN/GaN квантових ям.
Світлодіоди були виготовлені в Фізико-технічному інституті ім. А.Ф. Йоффе (Санкт-Петербург, Росія). Вирощування InGaN/GaN гетероструктур проводилось методом газофазної епітаксії з метал-органічних з'єднань на сапфіровій підкладці. Послідовність виготовлення була наступною. Безпосередньо на сапфіровій підкладці вирощувався сильно легований кремнієм контактний n+-GaN шар товщиною 3 мкм. Далі розміщувалась активна область світлодіода, яка являла собою послідовність 5 квантових ям InGaN/GaN. Вміст In компоненти в InGaN шарах активної області відповідав випромінюванню на довжинах хвиль 460-470 нм. Для запобігання дрейфу інжектованих електронів, над активною областю розміщувався тонкий (20 нм) широкозонний обмежуючий AlGaInN шар. Кінцевим етапом приготування епітаксіальної структур було вирощування легованого Mg p-GaN шару товщиною ~ 0.15-0.25 мкм.
На основі такої епітаксіальної структури виготовлялись декілька конфігурацій світлодіодів, які відрізнялись геометрією контактних p- i n-областей. Світлодіоди являють собою мезаструктури, формування яких відбувалось методом реактивного іонного травлення. Витравлювання мези відбувалось в два етапи. Спочатку глибоке травлення (до сапфірової підкладки) по всьому контуру кристала. Воно проводилось для підвищення ефективності виходу випромінювання за рахунок нахилу бокових граней (рис. 2.1). Наступним етапом було мілке травлення до n-GaN (~0.5 мкм) шару для нанесення n-металізації. В якості n-контакта використовувався Ti/Al, що наносився методом магнетронного напилення. р-контакт виготовлявся з тонкого (~4 нм) шару Ni і товстого (200 нм) шару Ag методом термічного випаровування. Такий Ni/Ag контакт забезпечував біля 85 % відбивання при нормальному падінні на довжинах хвиль близьких до 460 нм. Після відпалу в N2 атмосфері на обидва контакти наносився тонкий шар Au.
Формування геометрії контактних областей відбувалось з допомогою фотолітографії. Було виготовлено декілька різних зразків (рис. 2.1). В світлодіодах конфігурації А1 р-контакт мав прямокутну форму розміром 470х350 мкм. n-контакт мав форму "вилки", яка обхвачує р-контакт з трьох сторін (рис. 2.1(А1)). Таким чином розмір випромінюючої області повністю визначався розміром р-контакта. Світлодіоди конфігурації А2 мали побідну форму р-контакта. В А2 структурі p-контакт мав "вилочну" форму, але з меншою довжиною обхвату n-контактної області (рис. 2.1(А2)). В А3 структурі (рис. 2.1(А3)) n-контакт складається обхватуючої "вилки", а також з чотирьох фрагментів "вмонтованих" в центральній частині р-контакту. Всі фрагменти електрично з'єднуються за допомогою контактних мостів, що проходять над р-контактом і ізольовані від нього шаром діелектричного SiO2.
Рис. 2.1. Схематичне представлення геометрії контактних областей в InGaN/GaN світлодіодах, вирощених на сапфіровій підкладці.
Структури розміщувалися на Si пластини (товщиною ~250 мкм) сапфіровою підкладкою вверх (фліп-чіп мезаструктура). В свою чергу Si пластини припаювались до масивного мідного радіатора.
Крім фліп-чіп світлодіодів, виготовлялись також світлодіоди з розміщенням підкладкою вниз (А4, А5). Форма контактних областей (зображена на рис. 2.1) в світлодіодах А4 і А5 являє собою зустрічно-штирьову конструкцію. Для нанесення n- контакту, які і у випадку фліп-чіп світлодіодів, попередньо проводилось травлення до досягнення n-GaN шару. Відмінності між А4 і А5 світлодіодами полягали в наступному. Для забезпечення більш однорідного розтікання струму, на всій випромінюючій поверхні в А5 світлодіоді наносився тонкий напівпрозорий TiAu шар. Крім того, світлодіодний кристал розміщувався безпосередньо на мідному радіаторі без Si основи. Товщина сапфірової підкладки в А5 світлодіодах була в декілька разів менша в порівнянні з А4 світлоідодами.
2.1.2. Виготовлення світлодіодів середньої ІЧ області на основі InAsSbP/InAsSb гетероструктур.
Світлодіоди були виготовлені в Фізико-технічному інституті ім. А.Ф. Йоффе (Санкт-Петербург, Росія). Гетероструктура InAsSbP/InAsSb була вирощена методом рідко-фазної епітаксії на InAs підкладках. Світлодіоди виготовлялись в трьох конфігураціях, що зображені на рис. 2.2. Структура (А) являла собою стандартну планарну конфігурацію з точковим верхнім контактом. Для її виготовлення використовувались р+-InAs підкладки, леговані Zn до ~1018 см-3. На ній вирощувалися легований Zn p-InAs0.27Sb0.23P0.5 шар товщиною ~1 мкм, нелегований активний n-InAs1-хSbх шар товщиною 2-3мкм (n ~2?1016 см-3) і широкозонний бар'єрний n-InAs0.27Sb0.23P0.5 шар товщиною ~5 мкм. Таким чином активна область була розміщена між двома широкозонними шарами (подвійна гетероструктура) для кращого електронного обмеження інжектованих носіїв заряду. Роль p-InAs0.27Sb0.23P0.5 шару також полягала у зменшенні механічної напруги між InAs і InAsSb. Внаслідок неспівпадання постійних кристалічних решіток цих матеріалів (особливо при великому вмісті Sb в твердому розчині InAsSb) гетероперехід InAs/InAsSb має велику кількість дислокацій [94]. Вирощування проміжного InAs0.27Sb0.23P0.5 шару дозволяє значно зменшити концентрацію дислокації.
Особливістю епітаксіальної структури InAsSbP/InAsSb є те, що змінюючи вміст Sb в активному шарі можна отримати світлодіод з спектром електролюмінесценції практично на будь-яку ділянку середнього ІЧ діапазону. Для отримання найбільш короткохвильового випромінювання використовувалась активна область з майже нульовим вмістом Sb (?=3.4 мкм). Також були вирощені світлодіоди з максимумами випромінювання на 3.6 мкм, 3.8 мкм і 4.2 мкм. Світлодіоди виготовлялись у вигляді квадратів з стороною 450 мкм. Діаметр верхнього точкового контакту складав 100 мкм.
Рис. 2.2. Схематичне представлення внутрішньої будови планарних світлодіодів стандартної (А) та фліп-чіп (В) конфігурацій, а також