Рекомбинационные процессы в структурах на основе твердого раствора InGaN

2
10
10
14
Оглавление
Введение 5
Глава 1. Состояние вопроса по структурам на основе GaN и его твердых растворов
1.1 Проблемы создания и основные параметры гетероструктур на основе ОаЫ и его твердых растворов
1.2 Огггические характеристики СД-структур на основе ваИ и его твердых расі воров.
1.3 ВАХ СД на основе ваЫ и его твердых растворов. 27
1.4 Подвижность носителей заряда и механизмы рассеяния в ^ структурах на основе СаЫ и его твердых растворов.
1.5 Вольт-смкостные характеристики СД на основе ваЫ с К Я. 35
1.6 Определение параметров глубоких уровней 36
1.7 Выводы по главе 3 8 Глава 2. Определение параметров рекомбинационных центров в пространственно неоднородных структурах
2.1 Туннельная рекомбинация в структурах на основе АЮаШпОаШЗаЫ с ОКЯ и на основе ІпОа>ї/8іС
2.1.1. ([/) для структур на основе АЮаН/ІпОаїМЗаМ с ОКЯ 44
2.1.2 Исследование структур ІпОаН^іС с модулированным легированием и ОКЯ
2.2 Коэффициент пропускания структуры на основе АЮаЫЯпОаЫЛЗаЫ
2.2.1 Определение параметров барьеров, образующих КЯ. 47
2.2.2 Расчет коэффициента пропускания 49
2.3 Рекомбинация в структурах на основе твердого раствора ІпОаЛ/СаЛ
40
40
46
47
52
2.3.1 Определение энергии активации процесса туннелирования из 55 зависимости приведенной скорости рекомбинации от температуры
2.4 Выводы по главе 59
Глава 3. Электрические характеристики структур на основе ІіЮаЖ^
3.1 Описания образцов для исследования 60
3.2 ВАХ структур на основе твердого раствора 1пОаЫ 61
3.2.1 Описание экспериментальной установки для измерения ВАХ. 61
3.2.2 Механизмы токопереноса 62
3.2.3 Подвижность и механизмы рассеяния в структурах на основе
71
ТпОаМ/ОаЫ
3.2.4 Влияние туннелирования на ВАХ 75
3.2.4.1 Туннельный ток в структурах с потенциальными и кванто- ^ выми ямами
3.2.4.2 Влияние туннелирования на ВАХ 78
3.3 Вольт-фарадные характеристики структур на основе ЬЮаЫЛЗаЫ
3.3.1 Описание экспериментальной установки для измерения ВФХ. 81
3.3.2.С-С^характерисгики структур на основе ГпОаШЗаЫ 84
3.3.3 Определение параметров /?-л-перехода с компенсированным ^ слоем
3.4 Выводы по главе 96
Глава 4 Электролюмннесцентные характеристики структуры ^
на основе InGa^7GaN
4.1 Описание экспериментальной установки для измерения спек- 98 тров ЭЛ
81
4
4.2 Влияние температуры на спектры ЭЛ структуры на основе 100 ЬЮаЫ/СаЫ
4.3 Влияние тока на спектры ЭЛ при постоянной температуре 104 (7'=293 К, Г=93 К)
4.4 Коэффициент полезного действия светодиодов на основе 107 ЬЮаШЗаЫ
4.5 Выводы по главе 111 Глава 5. Определение параметров глубоких уровней структу-
113
ры на основе lnGaN/GaN методами емкостной спектроскопии
5.1 Термостимулированная емкость (ТСЕ) 113
5.1.1 Установка измерения ТСЕ 113
5.1.2 ТСЕ структуры на основе ІлОаІМЛЗаН 115
5.2 Спектры ЭЬТ8 117
5.2.1. Установка для измерения спектра ОЬТБ 117
5.2.2 Спектры ЭЬТБ структуры на основе ЫЗаМЛЗаМ 120
5.3 Выводы по главе 124
Заключение 125
Список литературы 130
5
Введение.
Светоизлучающие диоды (СД) сине-зеленого диапазона на основе 1пОаМ-структур с квантово-размерной активной областью в совокупности с желто-красными и красными СД на АЮаГпР- и АЮаАз-гетероструктурах перекрыли по цветовой гамме весь видимый спектральный диапазон, обеспечивая эффективное преобразование электрической энергии в оптическую. Наблюдается активное массовое применение СД: в Москве установлены СД-светофоры, в которых для зеленого света применены элементы на основе нитридов; созданы железнодорожные СД-светофоры с узкой направленностью излучения; на одном из небоскребов Нью-Йорка установлен полноцветный СД-экран, смонтированный из 16 млн. элементов. Проектируются телевизоры с экранами более 70 см по диагонали, в которых каждая из 100 тыс. светящихся точек, формирующих изображение, сделана из СД трех цветов - синего, зеленого и красного.
Компания «Осрам-01ггосемикондакгорс» продемонстрировала служебное помещение с плафоном на потолке из 14 тыс. голубых, зеленых, желтых, красных и белых СД. Режим работы устанавливается процессором, что позволяет выбором тока задать освещение того или иного типа от теплого, близкого к свету ламп накаливания, до холодного, как у люминесцентных ламп. Излучение СД в плафоне сфокусировано так, что свет идет вниз, не рассеиваясь к стенам. СД нашли применение и в декоративном освещении архитектурных деталей: освещение моста в Дуйсбурге (Германия) полупроводниковыми светильниками [1].
Таким образом, можно выделить следующие области применения СД, а также лазерных диодов, излучающих в различных областях спектра [2, 3]:
1) увеличение емкости СО и ОУБ. Плотность записи —1/Я2 (Я - длина волны излучения), за счет замены красного лазерного диода на фиолетовый с уменьшением Я в 2 раза объем памяти возрастает в - 4 раза;
6
2) создание полноцветных дисплейных экранов. Комбинируя InGaN-, AlGaN- и GaAlAs-СД, можно получить любой участок видимого спектра;
3) в устройствах отображения информации (указателях пешеходных переходов, устройствах ограничения скорости, в стадионных табло, рекламе), уличных светофорах, системах аварийного оповещения и т.д.;
4) в цветных лазерных принтерах высокого разрешения;
5) в системах связи на основе волоконно-оптических линий;
6) в производстве экономичных осветительных устройств;
7) в системах атмосферной оптической связи, охранных системах, системах автоматики, оптопарах, оптореле;
8) синие СД используются для создания СД белого свечения с малым энергоногреблением, которые можно использовать в условиях повышенной взрыво- и пожароопасности. Применение таких источников излучения при видео- и фотосъемке обеспечивает неискаженную цветопередачу.
Преимуществом осветительных СД-приборов на основе GaN и его твердых растворов является малое потребление энергии, малое тепловыделение, вибростойкость, отсутствие специальных патронов, достаточная гамма излучения, высокая долговечность, широкий диапазон рабочих температур (от -40° до +85 °С).
Исследования свойств нитридов элементов группы III (AIN, GaN, InN) и их сплавов, позволили заключить, что они являются наиболее перспективными материалами для изготовления свето- и лазерных диодов, излучающих во всей видимой и ультрафиолетовой (240—620 нм) областях спектра. Эти материалы имеют прямую структуру зон с шириной запрещенной зоны от 6.2 эВ (A1N) до 1.9 эВ (InN) или ниже. Для создания СД-струкгур с преобладающим излучением в синем и ультрафиолетовом спектральных диапазонах обычно используются GaN и твердые растворы на его основе InxGai_xN, AlxGai_xN. GaN - прямозонный материал, гексагональная модификация которого имеет ширину запрещенной зоны 3.4 эВ при комнатной температуре. Ультрафиолетовое свечение GaN обусловлено
7
рекомбинацией свободных и связанных экситонов гексагональной фазы. Голубое свечение с максимумом при 2.7 эВ обусловлено излучательной рекомбинацией внутри донорно-акцспторных пар, при этом донором является вакансия азота в одном из своих зарядовых состояний. В работе [4] приведены следующие значения внешнего квантового выхода для структур на основе 1пбаП с КЯ: 18 % для синего и 20 % для зеленого СД.
Связи атомов металлов с N в гексагональной решетке типа АШВУ сильнее, чем связи с Аэ или Р в кубической решетке. Поэтому образование дефектов в идеальной решетке нитридов менее вероятно, чем в решетке арсенидов или фосфидов. Приборы из нитридов должны быть более долговечными. Реальное положение дел определяется дефектами в ОаЫ-структурах: срок службы СД на основе бдЫ оценивается как >10* часов. В таблице 1.1 приведено сравнение параметров СД из разных материалов по данным работы [2].
Таблица 1.1 Сравнение характеристик некоторых СД
Свето- диод Материал Длина волны излучения, нм Интенсивность люминесценции, мккд Выходная мощность, мкВт Квантовый выход, %
Красный баАІАз 660 1790 4555 12.83
Зеленый ваР 555 63 30 0.07
Зеленый МаЫ 500 2000 1000 2.01
Синий 8ІС 470 9 11 0.02
Синий йЮаЫ 450 2500 3000 5.45
Большие значения ширины запрещенной зоны, напряжения пробоя и ряд других особенностей системы А позволяет рассчитывать на создание транзисторов с параметрами, превосходящие достижимые в структурах на основе АШВУ Сильные, порядка 106 В/см, встроенные пьезоэлектрические поля в гетероструктурах АЮаЛ/СаЫ позволяют при правильно выбранной геометрии структуры увеличить изгиб зоны проводимости на границе АЮаМЮаЫ и тем самым поднять концентрацию носителей в канале. Изменения электронного потенциала и энергий формирования де-
8
фектов, вызванные внутренними полями в структурах СаЫ/АЮаЫ(0001) вюртцитной модификации, приводят к высокой плотности двумерного электронного газа, что позволило создать мощные полевые транзисторы с близкими к СаА8/АЮаА8(001) характеристиками.
Структуры на основе Ш-нитридов обладают важными отличиями от систем на основе арсенидов: первое состоит в малой величине разрыва в зоне проводимости, второе состоит в заметно меньших размерах квантовых точек (—100 А) в нитридных системах по сравнению с арсенидными. Благодаря однодолинному устройству нижней зоны проводимости нитридные структуры АЮаЫЛпСаНУОаЫ могут создать конкуренцию материалам ОаАБ/АЮаАя в приборах с поперечным транспортом.
Гетероструктуры с туннельно-связанными квантовыми ямами (КЯ) привлекают внимание как альтернатива традиционным полупроводниковым приборам. На основе таких структур создаются различные приборы: генераторы сверхвысокочастотных колебаний, логические элементы. Принцип действия этих приборов основан на туннельном взаимодействии состояний в КЯ, обладающих разной проводимостью (подвижностью).
Таким образом, нитридные гетероструктуры являются многообещающими для применения не только в оптоэлектронике (СД, инжекцион-ные лазеры, фотоприемники), на их основе созданы мощные высокочастотные полевые транзисторы, работающие при высоких температурах.
Из приведенных отраслей использования Ш-нитридов и их физических особенностей следует, что проведение исследований, направленных на изучение механизмов, ответственных за формирование электрических и электролюминесце1ГП1ых характеристик СД-структуры на основе 1пОаЫ является актуальным.
Цель работы:
Изучение механизмов, определяющих излучательные и безызлуча-тельные рекомбинационные процессы, а также формирующих прямые вольт-амперные характеристики (ВАХ) светодиодов с квантовыми ямами
9
на основе твердого раствора 1пваЫ; разработка физических принципов диагностики параметров исследуемых структур на основе 1пОаЫ/ОаЫ.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследование механизмов, формирующих туннельнорекомбинационные токи структур на основе твердого раствора 1пОаЫ.
2. Разработка методов определения параметров рекомбинационных уровней на основе анализа зависимости приведенной скорости рекомбинации от напряжения Я11р = /(и) с учетом туннелирования и выводов обобщенной модели рекомбинации.
3. Экспериментальное исследование электрических и электролюминес-центных характеристик структур ЬЮаЫЛЗаК. Определение параметров изучаемых структур и рекомбинационных уровней в них.
10
Глава 1. Состояние вопроса по структурам на основе GaN и его твердых растворов.
1.1 Проблемы создания и основные параметры гетероструктур на основе GaN и его твердых растворов.
Получение слоев 1пОаМ приборного качества сопряжено с определенными трудностями. Большое рассогласование параметров ненапряженных кристаллических решеток является причиной напряженности тонких слоев 1пСаЫ на относительно толстых ваЫ и АЮаН Для получения слоев ТпСаИ с большим содержанием 1п необходимо либо понижать температуру роста, что приводит к уменьшению подвижности атомов на ростовой поверхности и, следовательно, к ухудшению структурного качества слоев, либо повышать поток 1п, что приводит к появлению чистого 1п в матрице ЬШЧГ.
Как и для других широкозонных соединений, легирование ваЫ примесями акцепторного типа является сложной задачей. К настоящему времени легирующей примесью, дающей стабильный и воспроизводимый р-тип проводимости в ОаЫ, является магний М%. Введение М% (как и других примесных элементов) сопровождается рождением значительного количества собственных дефектов и появлением сопутствующих примесей, что оказывает влияние на оптические и электрические свойства ваЫ.
В [5] исследовано влияние температуры и скорости роста на вхожде-ше 1п в эпитаксиальные слои ЬЮаЫ. При увеличении температуры роста слоя 1пОаЫ наблюдалось уменьшение состава 1п в 1пваЫ и улучшение езруктурного качества слоя ЬЮаН при этом пик люминесценции при 77 К сдвигается в коротковолновую область с увеличением интенсивности. Экспериментальные данные показывают сильное влияние на вхождение 1п в твердый раствор соотношения падающих потоков Тп и ва, а также соотношения потока V группы к суммарному потоку элементов III группы.
В [61 разработана технология двух зародышевых слоев (ЗС), необходимых для перехода от подложки сапфира к эпитаксиальному двумерному
11
росту нитридов третьей ipyrmbi. Первый ЗС оптимизировался для СД-гетероструктур видимого диапазона и представляет собой низкотемпературный GaN, подвергнутый высокотемпературному отжигу. Второй ЗС предназначен для транзисторных и СД-гетероструктур ультрафиолетового диапазона и представляет собой твердый раствор AIxGai.xN (х=0.2-Ю.5). Для получения толстых слоев AIGaN без трещин (толщиной до 2 мкм, АМ0%ч-50%) предложено использование сверхрешетки AlGaN/AlN.
В [7] изучено влияние прерываний роста и подмешивания малого количества Н2 в несущий Ат на оптические и структурные свойства 1п-GaN/(AI)GaN структур. Показано, что использование специфических условий роста, включая прерывание роста с добавлением водорода, приводит к увеличению эффективности СД в 5 раз.
В [8] изучены свойства слоев GaN, полученных методом металло-рганической газофазной эпитаксии (МОГФЭ) на сапфировых подложках при атмосферном и пониженном давлении в реакторе. Переход к пониженному давлению при сохранении соотношений реагентов в газовой фазе приводит к возрастанию скорости роста GaN более чем на порядок, что связано со снижением паразитных гомогенных газофазных реакций при давлении в реакционной камере менее 350 Topp. Наибольшее влияние на свойства слоев GaN оказывала толщина буферного слоя (A1N или GaN).
В [9] исследованы особенности МОГФЭ AIGaN и AlGaN/GaN. Установлено, что одним из основных параметров, определяющих состав растущего твердого раствора AIGaN, является величина парциального давления триметилалюминия на входе в реактор. Показано, что существенное повышение содержания А1 в эпитаксиальном слое AIGaN может быть достигнуто при снижеши скорости эпитаксиального роста.
В [ТО] установлено, что применение специальных методик роста, таких как прерывание роста и заращивание слоем InGaN низкого (по In) состава или использование матрицы InGaN, приводит к активированному фазовому распаду, способствующему образованию глубоких квантовых то-
12
чек (КТ) с большой энергией активации и крупных неоднородностей потенциала в активной области. Глубокие КТ ограничивают движение носителей в латеральном направлении к центрам безызлучательной рекомбинации. Образование глубоких КТ и крупных неоднородностей позволяет получить необходимую длину волны при меньшем составе 1п, что улучшает структурное качество материала.
В [11] исследовалось влияние отжига в плазме азота пленок Оа№1У^ на спектры фотолюминесценции (ФЛ), фотопроводимоеги и тин проводимости. Отжиг в плазме азота пленок ОаМ:М§ приводит к смещению стехиометрии ОаЫ в сторону избытка азота. Происходит уменьшение количества донорно-акценторных пар с участием вакансии азота в качестве донора, обусловливающих синюю полосу свечения Са1Ч:Р^ с энергией 2.88 эВ.
После отжига в краевой области ультрафиолетовое свечение имеет три максимума — 3.27, 3.17 и 3.06 эВ. Ультрафиолетовая краевая полоса ФЛ с максимумом 3.27 эВ может быть обусловлена переходами электронов из зоны проводимости на акцепторный уровень М§. Длинноволновые линии краевого свечения с максимумами 3.06 и 3.17 эВ могут быть связаны с акцепторными уровнями, созданными вакансиями галлия.
В [12] представлены результаты сравнительного анализа качества эпитаксиальных слоев ваИ, выращенных методами молекулярно-пучковой (МПЭ) и хлорид-гидридной газофазной эпитаксии (ХГФЭ). Экситонные особенности наблюдались в тонких МПЭ слоях, выращенных без буфера, при толщинах, примерно в 25 раз меньших, чем ХГФЭ слои, что говорит о перспективе использования МПЭ для роста высококачественных наноструктур. Установлено, что в МПЭ ОаЫ уровень примесей акцепторного типа больше, чем в ХГФЭ слоях.
В [13] исследовались стационарные спектры близкраевой ФЛ кристаллов ОаЫ разных типов:
полученные хлоридной эпитаксией в открытой системе; полученные разложением металл-органических смесей.