СОДЕРЖАНИЕ Введение.......................
Глава 1. Обзор литературы.
1.1 Мощные синие светодиоды на основе квантоворазмерных 1гЮаЫ/СаК структур.............................................................11
1.2 Причины падения внешней квантовой эффективности синих мощных светодиодов на основе квантоворазмерных структур 1гЮаН/СаК...........16
1.3 Особенности процессов излучательной рекомбинации в светодиодах на основе 1пОаЫ/СаЫ.....................................................24
1.4 Особенности развития деградационного процесса в синих ЬЮаМЮаЫ светодиодах..........................................................27
1.5 Низкочастотный шум в полупроводниках.............................33
1.5.1 Генерационно - рекомбинационный шум и шум типа \// в полупроводниках. Общее представление модели..........................33
1.5.2 Зависимость спектральной плотности шума от тока в полупроводниковых структурах. Теоретическое рассмотрение.............37
1.5.3 Исследование низкочастотного шума в СаИ и структурах на основе его
твердых растворов....................................................44
Выводы...............................................................51
Глава 2. Основные объекты исследования. Технология выращивания и методы диагностики светоизлучающих квантоворазмерных InGaN/GaN структур.
2.1 Основные объекты исследования и технология выращивания светоизлучающих квантоворазмерных йЮаТШаИ структур...................52
2.2 Исследование вольтамперных характеристик светодиодов.............56
2.3 Измерение ватт — амперных характеристик и внешнего квантового выхода светодиодов...................................................58
2.4 Измерение спектров электролюминесценции светодиодов..............60
2.5 Исследование низкочастотного шума в полупроводниковых материалах и приборах.............................................................61
2
2.5.1 Математические методы, используемые при рассмотрении флуктуационных процессов................................................61
2.5.1.1 Случайные процессы..............................................61
2.5.1.2 Спектральное представление случайных процессов.................64
2.5.2 Измерение спектральной плотности низкочастотного шума
светодиодов.............................................................68
Выводы..................................................................73
Глава 3. Особенности низкочастотного шума в светодиодах на основе квантоворазмерных 1пСа1Ч/Са]Чструктур.
3.1. Сравнительное исследование особенностей шумовых процессов в синих 1пОаТчтЛЗаЫ и красных АЮаАэ ЮаАв светодиодах............................74
3.1.1 Исследование зависимостей спектральной плотности шума от частоты синих и красных светодиодов.............................................74
3.1.2 Исследование зависимостей спектральной плотности шума от плотности тока..........................................................79
3.2 Электрическая активность протяженных дефектов и особенности вольтамперных характеристик йЮаМЛ^Ы^ светодиодов........................82
3.3 Связь особенностей низкочастотного шума ЫваИ/СаМ светодиодов с характером организации ианоматериала и с безызлучателыюй рекомбинацией в системе протяженных дефектов............................93
3.3.1 Определение параметра качества светодиодов р......................93
3.3.2 Исследование спектральной плотности шума 1пОаК/СаИ светодиодов с разным уровнем токов утечки.............................................95
3.4 Выяснение причин падения внешней квантовой эффективности в 1пОаЫ/ОаЫ светодиодах. Применение методики исследования низкочастотного шума в изучении эффекта падения внешней квантовой
эффективности..........................................................105
3.4.1 Влияние уровня легирования активной области и п+ областей на вид зависимостей //(/).....................................................106
3
3.4.2 Применение методики исследования низкочастотного шума для выяснения причин падения внешней квантовой эффективности 1гЮаМЛЗаЫ
светодиодов.........................................................114
Выводы...............................................................126
Глава 4. Применение диагностики низкочастотного шума для выяснении причин неоднозначного развития деградационного процесса в InGaN/GaN светодиодах.
4.1 Основные закономерности развития деградационного процесса в 1пСаИ/СаЫ светодиодах................................................130
4.2 Исследование низкочастотного шума 1пОаК/СаЫ светодиодов после 1000 часов старения..................................................... 136
4.3 Причины быстрого развития деградационного процесса в мощных синих 1пСаЫ/СаЫсветодиодах............................................... 153
4.3.1 Влияние воздействия электростатического пробоя на развитие деградационного процесса.............................................154
4.3.2 Изменение состава твердого раствора в активной области
светодиодов..........................................................160
Выводы...............................................................164
Заключение...........................................................165
Основные результаты..................................................165
Список литературы................................................... 167
4
Введение Актуальность темы
Исследование низкочастотного шума является эффективным методом изучения неоднородностей и дефектов в полупроводниковых структурах, а также методом диагностики надежности полупроводниковых приборов, в том числе и светодиодов [1,2]. Проблемы надежности мощных синих 1гЮаМ/СаП светодиодов в последние несколько лет встали наиболее остро в связи с развитием программ по разработке твердотельного энергосберегающего освещения на их основе. В ходе выполнения этих программ столкнулись с такими проблемами как падение внешней квантовой эффективности светодиодов начиная с плотностей тока 10 А/см2 и неоднозначным течением деградационного процесса (неоднозначность течения заключается в том, что для светодиодов с близкими исходными параметрами при одинаковых условиях старения характерно плохо предсказуемое изменение значений квантовой эффективности в результате деградации), приводящего к непредсказуемому выходу из строя светодиодов. Эти явления ставят под угрозу рентабельность перехода на твердотельное освещение и носят фундаментальный характер, т.к. несмотря на многолетние исследования и того и другого явления [3,4] их природа не установлена. Связь этих явлений с особенностями безызлучательной рекомбинации не вызывает сомнений. Значительное число публикаций посвящено [3-5] изучению безызлучательной рекомбинации. Однако к началу выполнения работы механизмы рекомбинации в синих 1пСа>1/ОаЫ светодиодах были не выяснены, а выводы разных авторов о вкладе точечных и структурных дефектов в этот процесс были противоречивыми. Представляется, что противоречия во многом, вызваны сложной структурной организацией и многообразием форм существования этих материалов от плохо сросшихся нанодоменов, до квазиэпитаксиального материала со следами дислокационных и дилатационных границ сросшихся нанодоменов. В результате типичной структурной особенностью является система
протяженных дефектов, пронизывающая активную область светоизлучающих структур, и включающая высокую плотность дислокаций
п
до 10 см* , их скоплений и дислокационных стенок [6]. Свойства этой системы при повышенных плотностях тока, при которых наблюдаются ранее упомянутые явления, мало изучены, т.к. традиционные методы изучения дефектов, как правило, работают при малых плотностях тока. В связи с этим, не случайно, в публикациях последних лет [7] отмечается, что характер взаимосвязи деградации оптической мощности (внешней квантовой эффективности) с изменением свойств дефектной системы остается не выясненным. Кроме того, по-прежнему остается предметом дискуссий вопрос о том, какие дефекты генерируются в процессе деградации, и преимущественно в каких областях, а так же каково участие системы протяженных дефектов в этом процессе. Результаты по исследованию спектральной плотности низкочастотного шума в мощных синих 1пСаМЛЗаЫ ссветодиодах, представленные в немногочисленных публикациях [2,8], показали возможность изучения свойств дефектной системы в широком диапазоне плотностей тока, в том числе и при плотностях тока больше 1 Л/см2, а следовательно целесообразность применения диагностики низкочастотного шума в изучении процессов деградации и падения внешней квантовой эффективности синих InGaN/GaN светодиодов. Это и определило цели и задачи данной работы.
Основные цели н задачи данной работы заключаются в изучение низкочастотного шума мощных синих светодиодов на основе квантоворазмерных 1пСаИ/СаК структур в частотном диапазоне 10 Гц — 10
л л
кГц, при плотностях тока 10‘‘ - 50 А/см , применение этого метода диагностики для исследования безызлучагельной рекомбинации и выяснения причин падения внешней квантовой эффективности при плотностях тока больше 10 А/см2, а также неоднозначного развития деградационного процесса в этих светодиодах.
Научная новизна работы заключается в том, что выяснены особенности низкочастотного шума мощных синих светодиодов на основе квантоворазмерных ЫваМ/СаИ структур, связанные с суммарным вкладом в безызлучательную рекомбинацию, при рабочих плотностях тока, единичных дефектов Шокли-Рида-Холла и канала, локализованного в системе протяженных дефектов. Применение в диагностике 1пОаМ/СаХсветодиодов методики исследования низкочастотного шума позволило выявить изменение свойств этого канала, безызлучательной рекомбинации с изменением плотности тока; обнаружить эффект подавления безызлучательной' рекомбинации, выраженный в уменьшении и стабилизации уровня шума,. начиная с плотностей тока,, соответствующих началу излучательной рекомбинации; выявить усиление безызлучательной рекомбинации в системе протяженных дефектов за счет перестройки центров прилипания в центры безызлучательной рекомбинации при плотностях тока больше 10 А/см , приводящее к падению внешней квантовой эффективности. Обнаружено усиление неоднородности протекания тока по мере увеличения степени дефадации светодиодов, приводящее к формированию шунтов и возникновению локальных областей перефева, способствующих мифации 1п и ба п системе протяженных дефектов и между латеральными областями с разным составом по индию твердого раствора 1пОаЫ. Показано, что эти механизмы, а также эффект подавления безызлучательной рекомбинации приводят к неоднозначному развитию дефадационного процесса в 1пСаМ/СаЫ светодиодах, и осложняют прогнозирование срока службы и моделирование процесса дефадации.
Практическая ценность работы заключается в том, что показана перспективность применения в диагностике ЬЮаМОаЫ светодиодов методов исследования низкочастотного шума, несущих информацию о состоянии дефектной системы в том числе и при плотностях тока больше 1 А/см . Предложены методы, позволяющие существенно снизить с 50 % до 10 %
падение внешней квантовой эффективности при плотностях тока меньше 50 А/см“. Применение методов исследования низкочастотного шума позволило установить критерий ненадежности мощных светодиодов с пониженным сроком службы при использовании сравнительно малых, до 10-100 часов, временных испытаний. Критерий основан на том, что превышение значений спектральной плотности низкочастотного шума 1пОаЫ/ваЫ светодиодов в первые, 10-100 часов старения, более чем, на два порядка относительно исходных значений, при плотностях тока соответствующих максимуму внешней квантовой эффективности, отражает необратимое изменение свойств дефектной системы, приводящее к усилению безызлучательной рекомбинации в системе протяженных дефектов.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Избыточный шум 11/ вплоть до частот 50 кГц, появление падающих участков на зависимости спектральной плотности токового шума от плотности тока 5К/), характерные для мощных синих светодиодов на основе квантоворазмерных 1пОаЫ/СаП структур, связаны с участием в рекомбинационном процессе наряду с дефектами Шокли-Рида-Холла, системы протяженных дефектов, пронизывающей активную область.
3 /2
2. Появление участков зависимости £](/) ~ у при у > 10 А/см обусловлено усилением безызлучательной рекомбинации в системе протяженных дефектов, и сопровождается падением внешней квантовой эффективности ТпСаН/ОаЫ светодиодов.
3. Отклонение зависимости спектральной плотности флуктуаций напряжения от плотности тока 5У(/) от классического вида, характеризуемого соотношением «Я ~ 1/Д отражает типичное для этих светодиодов неоднородное протекание тока, в первую очередь по системе протяженных дефектов.
4. Усиление неоднородности протекания тока в процессе старения светодиодов приводит к формированию шунтов и областей локального
перегрева и диагностируется по появлению на зависимости спектральной плотности флуктуаций тока от плотности тока Я1 (/')
1 О
участков 3\(/) ~ у при у > 10 А/см . Причем, для светодиодов деградировавших по значениям внешней квантовой эффективности более чем на 20 % относительно исходных значений, формирование областей локального перегрева наблюдается при крайне малых значениях у ~ 10'2 - 10‘3 А/см2.
5. Превышение значений спектральной плотности низкочастотного шума 1пОаПЛЗаЫ светодиодов в первые 10-100 часов старения более чем на два порядка относительно исходных значений, при плотностях тока, соответствующих максимуму внешней квантовой эффективности, указывает на ненадежность мощных синих ГпСа^ОаЫ светодиодов и пониженный срок службы.
Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались на Российских и Международных конференциях:
X Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, Санкт-Петербург, 1 - 5 декабря 2008;
Всероссийская конференция по физике полупроводников «Полупроводники 2009», г. Томск, сентябрь 2009;
Международная конференция по дефектам, Санкт-Петербург, июль 2009;
2-ая Всероссийская конференция «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях», Москва, май 2009;
7-ая Всероссийская конференция «Нитрид Галлия, Индия и Алюминия -структуры и приборы», Москва, февраль, 2010;
8-ая Всероссийская конференция «Нитрид Галлия, Индия и Алюминия -структуры и приборы», Санкт-Петербург, июнь 2011.
9
Публикации Основные результаты работы опубликованы в 15 печатных работах, из них 4 научные статьи в реферируемых журналах и тезисы в материалах конференций - 11.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 177 страницах машинописного текста. Диссертация включает также 64 рисунка и список литературы из 126 наименований.
10
Глава 1. Обзор литературы.
Индустрия мощных синих светодиодов на основе квантоворазмерных ГпСаМЛЗаЫ структур интенсивно развивается в связи с поставленной в разных странах мира задачей перехода к энергосберегающему экологически чистому твердотельному освещению.
В последние годы, достигнутые рекордные значения для этих светодиодов оптической мощности синего излучения [9] 800 мВт и внешней квантовой эффективности до 75 %, эффективности белого свечения 230 Лм/Вт, сделали их вполне конкурентно способными с лампами накаливания. Однако вопрос рентабельности перехода на твердотельное освещение остается нерешенным из-за ранее отмеченных фундаментальных проблем таких как падение внешней квантовой эффективности при плотностях тока > 10 А/см2 и неоднозначного течения деградационного процесса, которые препятствуют снижению стоимости 1 кЛм производимого света С[$/кЛм]:
где Ф[Лм] - световой поток, излучаемый источником; Р5[$] - стоимость источника при производстве; т[ч] - время наработки до отказа; М[Вт] -потребляемая мощность; Ре|[$] - стоимость электроэнергии. Кратко рассмотрим эти проблемы и возможность применения диагностики низкочастотного шума для выяснения причин, ответственных за эти проблемы.
1.1. Мощные синие светодиоды на основе квантоворазмериых InGaN/GaN структур.
Работа светодиодов основана на инжекции носителей через р-п-переход и их последующей излучательной рекомбинации. Основными параметрами, характеризующими работу таких приборов, как преобразователей электрической энергии в оптическую являются
(Ы)
11
СаМ-^
ІПхраі^М-
зародышевый
слой
р-Са^Мд (контактный слой)
р-АІ^ба^іМд эмиттер (слой блокирующий электрет*»!)
> активная
р-контакт
эмиттерный слой п-СаМ:Бі (буферный слой)
сапфир
Рис. 1.1. Типичная конструкция светодиода.
эффективность ИНЖСКЦИИ Г]-щ, внутренний квантовый выход цт{ и эффективность вывода излучения ^ор1, которые в совокупности определяют внешний квантовый выход //сх|:
Ч,„ = П„, (1.2)
Основные приемы улучшения этих параметров, разработанные для
светодиодов, выращенных на А3В5, были использованы при разработке синих
•»
светодиодов: такие как односторонняя инжекция из широкозонного эмиттера в узкозонный активный слой, двойное электронное ограничение активной' области широкозонными слоями. На рис. 1.1 приведена типичная конструкция светодиодов на основе квантоворазмерных гетероструктур. В светодиодах на основе твердых растворов А3В5 обычно используют твердые растворы толщиной 5-10 нм. Оказалось, что в твердых растворах ЪЮаМ при таких толщинах происходит распад твердого раствора [10]. Было показано, что оптимальные толщины 2-3 нм. Для увеличения эффективности стали использовать по несколько ям и барьеров, наиболее часто по 5 пар. Выращивание такой структуры осуществляется эпитаксиальными методами. Наиболее распространенным и обеспечивающим лучшие параметры, на сегодняшний день, является метод газофазной эпитаксии из металлор1ДНических соединений. Рост осуществляется в неравновесных условиях, на подложках рассогласованных с растущим слоем. Формируются слои гексагональной модификацией, когда постоянная решетки по оси с значительно отличается от постоянной решетки а. Рост осуществляется в несколько стадий: на начальной стадии роста формируется зародышевый слой, идет образование дислокаций несоответствия и появляются островки (нанодомены) с размерами от нескольких до десятков нанометров, имеющие разные углы наклона и разворота оси с относительно друг друга. На последующих стадиях происходит разрастание и коалесценция доменов и частичная релаксация дислокаций на границах доменов и формируется эпитаксиальный слой с высоким содержанием структурных дефектов:
о |П
дислокаций (краевых, винтовых, несоответствия), с плотностью 10 - 10
13
д
Рис. 1.2. Два типа границ в слоях GaN и светоизлучающих структуры на основе 1гЮаЫ/ОаМ; а) - дилагационные границы, б) - дислокационные границы. Слои нитрида галлия с разным характером организации наноматериала: в) - хорошо организованный наноматериал, г) - плохо организованный наноматериал. Протяженный дефект, пронизывающий активную область светодиодной структуры — д).
14
см'2, их скоплений, а также дефектов упаковки, микропор и микротрубок [10]. Кроме того, в результате коалесценции доменов во время эпитаксиального роста происходит образование протяженных границ двух типов: дилатационных (рис. 1.2, а) и дислокационных (рис. 1.2, б). Таким образом, слои нитридов третьей группы и гетероструктуры на их основе являются квазиэнитаксиальными, текстурированными дислокационными и дилатационными границами, что предопределяет многообразие форм организации этих материалов и принципиально отличает их от традиционных эпитаксиальных слоев на основе А3В5, и порождает трудности в интерпретации результатов и выявлении закономерностей.
Следует отметить, что чем лучше сформирован зародышевый слой и выбраны условия дальнейшего роста, тем меньше протяженность и количество дислокационных границ, т.е. достигнута лучшая организация наноматериала [11]. Действительно, как следует из рис. 1.2 (в,г) на котором приведены планарные изображения, в электронном просвечивающем микроскопе, слоев с разным характером организации наноматериала, слои отличаются между собой не столько плотностью единичных дислокаций сколько количеством и протяженностью дислокационных и дилатационных границ. Совокупность этих границ, а также дислокаций и их скоплений образуют сложную систему протяженных дефектов, пронизывающую активную область (Рис. 1.3). На настоящий момент разработано множество способов управления этими стадиями роста, направленных на снижение плотности прорастающих дислокаций. Этим важнейшим и интереснейшим вопросам, которые мы, однако, обсуждать не будем, посвящена обширная литература [12,13]. Отметим лишь то, что, несмотря на многолетние усилия,
I /ч
снизить плотность дислокаций до значений меньше 10 см'“, типичных для
полупроводников А3В5, не удалось. Более того, средняя плотность
м 8 2 дислокаций по-прежнему достаточно высока и составляет ~ 10 см' .
Однако, при этой плотности фирма Сгее получила светодиоды с внешней
квантовой эффективностью 40 %, хотя в теоретических работах 4-х летней
15
- Київ+380960830922