Содержание.
стр.
1. Введение 4
1.1. Актуальность темы. 4
1.2. Основные цели работы. 5
1.3. Научная новизна. 6
1.4. Основные положения, выносимые на защиту. 7
1.5.1Іаучная и практическая ценность. 9
1.6 Достоверность результатов 9
1.7. Апробация работы. 10
1.8. Публикации. 10
1.9. Структура и объем диссертации. 11
2. Литературный обзор. 12
2.1. GaN и близкие к нему соединения. 12
2.1.1. Фундаментальные свойства ЄаА' 12
2.1.2. Свойства тройных соединений нитридов. 16
2.2. Технологии роста структур на основе ОаМ. 18
2.3. Гетероструктуры АЮаМЛп<3&М/Са1^ с кван ювыми ямами. 21
2.3.1. Макроскопическая поляризация и разрывы зон на гетерограницах 23
2.4. Механизмы излучательной рекомбинации в гетерострупурах на основе 24 Оа1Ч.
2.4.1. Эффект Шторка в структурах с квантовыми ямами и 24 локализованные жеитоиы.
2.4.2. Рекомбинация в хвостах плотности состояний. 26
3. Модель двумерной комбинированной плотности состояний. 28
3.1. Эффективная ширина запрещенной зоны. 28
3.1.1. Энергетическая диаграмма активной области гетероструктуры с 28 квантовыми ямами ІпСаМ.
3.1.2. Уровни размерного квантования в одиночной квантовой яме ІпСаМ. 30
3.1.3. Ширина минизон в сверхреиіетках 1пііа№Са\!. 34
3.2. Флуктуации потенциала и хвосты плотности состояний. 35
3.3. Описание спектра люминесценции моделью комбинированной 37 двумерной плотности состояний.
2
4. Методика эксперимента. 45
4.1. Экспсрнметпальная установка. 45
4.2. Исследуемые образцы. 50
4.3. Экспериментальные методики, результаты которых использовались в 52 работе.
5. Экспериментальные результаты. 53
5.1. Синие и зеленые светодиоды на основе тегеросгруктур с МКЯ. 53
5.1.1. Спектры электролюминесценции. 53
5.1.2. Интерференционная структура в спектрах синих СДс МКЯ. 57
5.1.3. Вольт-ачперные характеристики. 60
5.1.4. Распределение заряженных центров. 62
5.1.5. Мощность излучения и КПД СД. 63
5.2. Сравнительный анализ зеленых светодиодов на основе гетероструктур 65 с МКЯ.
5.2.1. Спектры электролюминесценции 65
5.2.2. Интерференционная структура к спектрах зеленых СД с МКЯ. 68
5.2.3. Мощность излучения и КІ1Д СД. 70
5.2.4. Распределение заряженных центров. 72
5.2.5. Вальт-амперные характеристики. 72
5.3. Температурные измерения. 74
6. Обсуждение результатов. 79
6.1. Энергетическая диаграмма гстсроструктур. 79
6.1.1. Распределение зарядок к гетероструктуре. 79
6.1.2. РаспреОеление потенциала и злектрического поля в 81 гетероструктуре.
6.1.3. Энергетическая диаграмма гетероструктуры. 85
6.2. Описание спектров моделью двумерной комбинированной плотности 87 состояний.
7. Выводы. 96
8. Литература. 99
3
1. Введение
1.1. Актуальность темы.
Исследования нитрида галлия имеют давнюю историю, в которую внесли свой вклад и ученые физического факультета МГУ. Приоритетные исследования кристаллической структуры GaN были сделаны ['.(.'.Ждановым в 1936 г. [1.1]. В 1971 г. проф. Ж.Ианков, работавший в лабораториях фирмы RCA. Princeton, продемонстрировал люминесценцию голубых светодиодов (СД) металл-изолтггор-полупро водник из GaN [1.2]. После этого интенсивные исследования катодолюминесцснции GaN проводились группами М.В.Чукичсва и Г-В.Сапарина на кафедрах физики полупроводников и физической электроники в тес1юм контакте с промышленными лабораториями (1.3-1.5]. Они открыли эффект активации акцепторов при электронной бомбардировке. В конце 80-х гг. проф. И.Акасаки и Х.Амано открыли, что электронная бомбардировка может быть испольэована для создания большой концентрации дырок в GaN, легированном /л или Mg. В начале 9<)-х годов Шуджи Накамура из исследовательской лаборатории компании Nichia Chemical Ind. разработат новый «двухпоточный»» метод МОС-гидридыой эпитаксии и термический метод активации акцепторов в р-GaN; он продемонстрировал сверхяркий голубой СД на основе GaN f 1.2]. Следующим шагом стал рост гегероорукгур на основе тройных твердых растворов InGaN/AlGaN/GaN и демонстрация в 1996 г. фиолетового инжскционного лазера, работающего в постоянном режиме при комнатной температуре 11.2].
В последнее время проблемы исследований и разработок нитрида таллия, структур и приборов на его основе стали чрезвычайно актуальными. За последние тоды в разных промышленных и академических лабораториях была разработана и
А
исследована технология эпитаксиальною роста, легирования, травления и обработки многослойных гстсроструктур типа 1п0а№АЮа№(ЭД1 с одиночными и множественными квантовыми ямами (ОКЯ и МКЯ) на подложках из сапфира или карбида кремния. Разработки ведут к созданию и освоению промышленного производства новых приборов оптоэлектроники и микроэлектроники: эффективных светодиодов для коротковолновой части видимого спектра, инжекциинных лазеров. мощных высокочастотных транзисторов, ультрафиолетовых фотодегееторов.
Актуальность темы обусловлена необходимостью исследований процессов рекомбинации в гстсроструктурах 1гЮа№АЮаЬ1/СаЫ с квантовыми ямами. '>ти структуры являются основой для разработок полупроводниковых светодиодов и лазеров для синей и зеленой области видимого спектра, представляющих большой интерес для практических применений.
1.2. Основные цели работы.
Основная цель настоящей работы - подробное исследование процессов нзлучагелыюй рекомбинации носителей тока к сложных гстсроструктурах на основе С;а\.
Конкретные научные задачи работы:
1. Исследование спектров электролюминесценции и эффективности светодиодов как основных характеристик гетероструктур в широком диапазоне зоков возбуждения и интенсивности люминесценции.
2. Расчет и анализ энергетических диаграмм р-п- гстерострукгур на основе соединений ln.Gai.xN и А1уСа|.уЫ в зависимости от состава (х, у) и толщины сдоев.
5
3. Расчет уровней [химерного квантования в слоях ОаЫ и 1пЛОа|.»Ы с толщиной порядка 20-40 А для определения эффективной ширины запрещенной зоны в излучающей области тстсроструктуры.
4. Анализ и учет влияния мнкро- и макроскопических флуктуаций содержания 1тц шероховаюсти гетеротраниц, случайного ноля распределения примесей на спектры люминесценции тгтероструктур на основе ОаК
5. Количественное описание формы спектров электролюминесценции СД на основе выбор и анализ параметров этого описания.
1.3. Научная новизна результатов, полученных в диссертации:
Создан спектральный измерительный комплекс, позволяющий исследовать люминесцентные и электрические свойства светодиодов на основе нитрида галлия широком динамическом диапазоне токов возбуждения (от 10'1 А до КГ2 А) и интенсивностей излучения (10 порядков) с высоким разрешением (до
*=0.1 А).
Исследованы люминесцентные характеристики широкого круга образцов, установлены основные физические процессы, протекающие в изученных структурах.
Проведен численный расчет энергетической лиатраммы гетеросгруктур и основных физических параметров активной области (уровней размерного квантования, эффективной ширины запрещенной зоны и величины ее флуктуаций). Результаты расчета хорошо согласуются с основными параметрами спектров и вольт-амперных характеристик диодов.
Для описания спектров люминесценции гетероструктур на основе GaN с множественными квантовыми ямами применена модой, рекомбинации в
6
двумерных структурах с хвостами плотности состояний, обусловленных флуктуациями потенциала. Полученные на основе этой модели результаты количественно согласуются с положением максимума и параметрами экспоненциального спада спектров, а также с их изменениями при изменении тока и температуры.
Впервые в спектрах люминесценции светодиодов, излучающих в зеленой области видимого спектра, наблюдатась полоса туннельной излучатсльной рекомбинация.
1.4. Основные положения, выносимые на защи ту.
1. Созданный измерительный комплекс позволяет исследовать люминесцентные и электрические свойства с него диодов на основе гетерострукгур 1гЮаК|'АЮаЫ/0аЫ с множественными квантовыми ямами в динамическом диапазоне токов возбуждения от КГ7 А ло 10'2 А и интенсивностей излучения до 10 порядков.
2. Форма спектров электролюминесценции светодиодов на основе гетерострукгур 1пОа№АЮ»аМ/ОаМ с множественными квантовыми ямами описывается моделью излучатсльной рекомбинации в хвостах двумерной плотности состояний. Параметры этой модели: эффективная ширины запрещенной зоны в активной области структур Е8’ и флуктуапии ее величины Ео, положение квазиуровня Ферми для дырок ЛКр, параметр распределения дефицита энергии межлу электроном и дыркой т. температура в активной области ютеро структуры Р.1 - шкТ.
7
3. Величина параметра экспоненциального спада 1~-схр(й<й;Ео) длинноволнового хвоста спектра определяется флу ктуациями эффективной ширины запрещенной зоны Еп = 55 - 60 мэВ для зеленых и Ео - 50 - 55 мэВ для голубых СД.
Показатель экспоненты коротковолнового спада 1~ехр(-Л<о/Е|) зависит от температуры активной области СД: Е| = ткТ. ш = 1.25+1.55.
4. Впервые в области малых токов <0.1 мА в спектрах СД с максимумом в зеленой области видимого спектра обнаружен дополнительный длинноволновый максимум 1.92-2.02 эВ, соответствующий туннельному излучению. При этом положение максимума ЙОт» туннельной полосы соответствует напряжению на ютеропереходе 11: йо>„*ч = е11.
5. В спектрах зеленых СД обнаружена высокоэнергичная полоса с максимумом 2.7 эВ. обусловленная излучением из неоднородностей структуры.
6. Полосы спектров электролюминесценции соответствуют участкам вольг-амперных характеристик: ниже напряжения «1.9 В работает механизм туннельной излучательиой рекомбинации, этот участок соответствует туннельной спектральной полосе; выше напряжения 1.9 В включается инжекциониый механизм, он соответствует основной спектральной полосе.
7. Интенсивность излучения в основной полосе и КПД были тем выше, чем больше была концентрация нсскомпснснрованных акцепторов в р-обласги. В распределении заряженных центров в гстероструктурах имеется слой толщиной 50+220 нм. в котором акцепторы компенсированы. Туннельная полоса зарегистрирована в спектрах структур с минимальной толщиной компенсированною слоя 56+120 нм.
8. Максимум эффективности излучения в зависимости от тока достигается при переходе туннельною механизма протекания тока в инжекциониый.
8
1.5. Научная и практическая ценность.
Результаты исследований позволили определить основные механизмы, протекающие в гстсросзруктурах на основе ОаЫ с множественными квантовыми ямами. Показано, что основная полоса в спектрах излучения светодиодов определяеіся механизмом излучательной рекомбинации в двумерных структурах с хвостами плотности состояний, обусловленными флуктуациями потенциала. Показано, что механизм туннельной излучательной рекомбинации проявляется при малых токах и больших электрических полях не только в структурах с малым содержанием 1п в активных слоях InGaN (светодиоды синею диапазона видимою света), но и с большим содержанием 1п (светодиоды зеленого диапазона видимого спектра).
Результаты исследований позволяют объяснить характеристики и поведение практически используемых полупроводниковых приборов -светодиодов, а также позволяют прогнозировать свойства вновь разрабатываемых приборов. Показано, что максимум квантового выхода излучения достигается, когда инжекционный механизм протекания тока через гетероструктуру с квантовыми ямами начинает преобладать над туннельным механизмом. Это определяет практическую ценность работы.
1.6. Достоверность результатов обеспечена комплексным характером исследований как спектров люминесценции, так и электрических свойств светодиодов, подтверждением результатов экспериментальных измерений теоретическими расчетами. Часть результатов подтверждена результатами других исследовательских групп, приведенными в цитируемой литературе.
9
- Київ+380960830922