Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ім. В.Є. ЛАШКАРЬОВА

УДК 621.315.592

ВПЛИВ ЕФЕКТУ КОНЦЕНТРУВАННЯ СТРУМУ НА ПОВЕДІНКУ ЕЛЕКТРОННО-ДІРКОВОЇ ПЛАЗМИ В БАГАТОШАРОВИХ СВІТЛОВИПРОМІНЮЮЧИХ СТРУКТУРАХ

(01.04.07. - фізика твердого тіла)

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ЗІНОВЧУК АНДРІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

Київ 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної Академії наук України

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор Малютенко Володимир Костянтинович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, завідувач відділом № 24

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук Тетьоркін Володимир Володимирович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, завідувач відділом № 22

кандидат фізико-математичних наук Самойлов Володимир Борисович Інститут фізики НАН України, завідувач відділом приймачів випромінювання

Захист відбудеться 23 січня 2009 р. о 14¹⁵ годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою: 03028, Київ-28, проспект Науки, 41

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України (03028, Київ - 28, проспект Науки, 45).

Автореферат розісланий 16 грудня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико-математичних наук О.Б.Охріменко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З моменту створення і до нашого часу у розвитку багатошарових світловипромінюючих пристроїв, робота яких ґрунтується на інжекції носіїв заряду через p-n перехід (світлодіоди), було досягнено значних успіхів. Процес вдосконалення методів виготовлення світлодіодів пройшов від простих (дифузія, іонна імплантація) до більш складних епітаксіальних (рідко-фазна епітаксія і газо-фазна епітаксія з метал-органічних з'єднань) і дуже складних та дорогих методів (молекулярно-променева епітаксія). Були створені випромінювачі як видимого, так і інфрачервоного (ІЧ) спектральних діапазонів, що знаходять своє широке застосування в різних областях. Світлодіоди видимого діапазону мають перспективу використання в якості джерел освітлення. Найбільша увага в останнє десятиліття приділяється випромінювачам створеним на основі InGaN/GaN гетероструктур (л=250-520 нм). Короткохвильові InGaN/GaN світлодіоди мають достатню енергію кванту електролюмінесценції для того щоб використовувати їх як джерела збудження (накачування) в твердотільних лазерах або білих світлодіодах і тим самим сприяють подальшому розвитку технології випромінювачів. Потужні AlGaAs світлодіоди ближнього ІЧ діапазону (л=0.8-0.9 мкм) також використовуються для збудження твердотільних лазерів. Поряд з часто згадуваними в публікаціях газовим аналізом і системами оптичних комунікацій, однією з важливих областей застосування інфрачервоних (л=3-5 мкм) світлодіодів є імітація динамічних ІЧ сцен. Такі переваги світлодіодів як швидкодія (частота модуляції >20 кГц), багатоспектральна імітація (декілька вузьких підзон в середині діапазону 3-5 мкм) і можливість симуляції “холодних” сцен в режимі негативної люмінесценції, роблять їх перспективними поряд з тепловими випромінювачами, які є провідними на даний час в цій області.

Все вище зазначене стимулює подальшу розробку світлодіодів. Постійною тенденцією вдосконалення світлодіодів є підвищення потужності електролюмінесценції як за рахунок підвищення квантового виходу, так і за рахунок збільшення максимального рівня інжекційного струму. Тут на перший план виступають два аспекти. По-перше, підвищення рівня інжекції призводить до нерівномірності розподілу густини струму (ефект концентрування струму) по активній області приладу [1]. Внаслідок ефекту концентрування струму тільки невелика частина активної області світлодіода здатна ефективно випромінювати. Для вивчення таких процесів необхідний локальний аналіз (в мікромасштабі) просторових розподілів електролюмінесценції. Він дає можливість встановити вплив рекомбінаційних параметрів активної області (відношення швидкостей випромінювальної і безвипромінювальної рекомбінації), а також особливостей розтікання струму на потужність випромінювання. По-друге, що є більш важливим, високий рівень інжекції супроводжується розігрівом, який значно знижує енергетичну ефективність багатошарових світловипромінюючих структур. Причиною розігріву є джоулеві втрати та безвипромінювальна рекомбінація. Треба зазначити, що внаслідок ефекту концентрування струму температура розігріву може бути сильно неоднорідно розподіленою. Так як більшість світлодіодних випромінювачів мають внутрішній квантовий вихід менший 100 % і слабо теплопровідну багатошарову структуру, то при зростанні рівня інжекції локальні температурні неоднорідності (градієнти температури) створюють небезпеку катастрофічної деградації приладу. Нелокальні методи вимірювання температури розігріву світлодіодів дозволяють оцінити тільки середню температуру. В більшості випадків такі вимірювання призводять до значних неточностей. Спектральні методи (які забезпечують високий степінь локальності) дають можливість визначати температури в декількох точках світлодіодної структури, тоді як для повної теплової характеристики необхідне знання температур по всій активній області світлодіода.

Із вищесказаного слідує, що на даному етапі розвитку світлодіодів вивчення локальних параметрів випромінювання і температурних полів з високою просторовою роздільною здатністю, покращення теплових параметрів конструкції приладів (як наслідок вивчення) є не менш важливим ніж вдосконалення технології вирощування епітаксіальних структур.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційні дослідження виконувалися в рамках наступних тем і партнерських проектів:

– “Багатоканальний точковий ІЧ випромінювач”, 2003-2005 р. (проект Українського науково-технологічного центру (УНТЦ) Р-080).

– “Локальна характеризація напівпровідникових матеріалів і приладів, зокрема, базованих на світловипромінюючих та світлочутливих мікроструктурах” № III-2-06, 2006 р. (відомча тематика ВФА НАНУ, постанова Бюро від 20.12.05 №10, номер держ. реєстрації 0106000993).

– “Розробка методики вимірювання та дослідження параметрів високотемпературних випромінювачів для далекого діапазону спектру (8-14 мкм)”. 2006 р. (НДДКР, договір з Мін. промислової політики України № 92723/60-01 від 04.04.2006, номер держ. реєстрації 0106005879).

– “Оптимізація теплових режимів потужних НВЧ та світловипромінюючих приладів на базі наноструктур”. 2007-2008 р. (НДР, договір з Мін. освіти і науки України № М/190-2007 від 14.05.07, номер держ. реєстрації 0107007850).

Мета і завдання досліджень. Метою досліджень було вивчення ефекту концентрування струму в багатошарових світловипромінюючих діодах на різні спектральні діапазони (видимий, близький та середній ІЧ діапазон). Експериментально і теоретично дослідити вплив ефекту концентрування на інтегральну та локальну потужності електролюмінесценції, а також на просторовий розподіл температури розігріву активної області світлодіодів. Вивчити вплив ширини забороненої зони активної області світлодіодів на ефект концентрування струму. Запропонувати найбільш оптимальні, з точки зору однорідності струмопротікання, конфігурації контактних областей світлодіодів. Були поставлені наступні завдання:

1. Побудувати математичну модель протікання струму і тепловиділення в багатошарових світловипромінюючих структурах з урахуванням нелінійних властивостей p-n переходу.

2. Вивчити залежність ефекту концентрування струму від ширини забороненої зони активної області світлодіодів.

3. З високим ступенем точності і локальності виміряти розподіли температури розігріву в світловипромінюючих структурах на різні спектральні діапазони.

4. Дослідити вплив неоднорідностей густини струму і температури активної області світлодіодів на відповідний розподіл потужності електролюмінесценції. світлодіод струм інфрачервоний тепловиділення

5. Дослідити динаміку формування зон локального розігріву в потужних InGaN/GaN світлодіодах видимого спектрального діапазону з різними конфігураціями контактів.

6. На прикладі AlGaAs/GaAs випромінюючих структур ближнього ІЧ діапазону, дослідити вплив ефекту концентрування струму на локальний розігрів світлодіодів з майже 100 % внутрішнім квантовим виходом.

7. Дослідити залежність неоднорідностей розподілу електролюмінесценції і температури розігріву від конструкції випромінюючих областей в InAsSbP/InAsSb випромінюючих структурах середнього ІЧ діапазону.

8. Визначити температури струмового розігріву в інфрачервоних InAsSbP/InAsSb світлодіодах на різні довжини хвиль.

Об'єктами дослідження є InGaN/GaN, AlGaAs/GaAs, InAsSbP/InAsSb багатошарові структури, що випромінюють в видимому, ближньому та середньому ІЧ діапазонах. Структури були виготовлені в Фізико-технічному інституті ім. А.Ф. Йоффе (Санкт-Петербург, Росія) та в Інституті напівпровідникових приладів (Томськ, Росія) методом рідко-фазної і газо-фазної епітаксії з метал-органічних з'єднань.

Предметом дослідження є механізм впливу неоднорідного протікання струму в об'ємі багатошарових структур на просторові розподіли температури і електролюмінесценції, а також причини зниження ефективності випромінювання світлодіодів.

Методи дослідження. Для вимірювання інтегральних та локальних параметрів світлодіодів використовувались електрофізичний метод, електролюмінесценція, а також метод теплового випромінювання. Комп'ютерне моделювання і чисельний аналіз результатів проводився з допомогою методу скінчених елементів.

Наукова новизна одержаних результатів.

Встановлено існування двох типів ефекту концентрування: контактний ефект концентрування струму, що спостерігається безпосередньо біля поверхні металічного контакту і ефект концентрування в активній області світлодіода.

Експериментально показано, що наслідком ефекту концентрування струму є наявність неоднорідного розподілу температур розігріву в багатошарових світловипромінюючих структурах на основі InGaN/GaN, AlGaAs/GaAs, InAsSbP/InAsSb.

Показано, що нерівномірність протікання струму в світлодіодах на основі багатошарових структур призводить до виникнення областей локального розігріву (“теплових пасток”), температура в яких значно перевищує температуру в навколишніх ділянках. Положення “теплових пасток” визначається геометрією контактів.

Експериментально встановлена залежність величини градієнта температури в активній області багатошарових випромінюючих діодів від тривалості імпульсу збудження в імпульсному режимі роботи.

Експериментально виявлена і теоретично обґрунтована залежність ефекту концентрування струму від величини загального струму через світлодіод.

Встановлено залежність ефекту концентрування струму від ширини забороненої зони активної області світлодіодів.

Експериментально показано, що в світлодіодах середнього інфрачервоного діапазону на основі подвійних гетероструктур InAsSbP/InAs_1-xSb_х при однакових умовах живлення температура розігріву довгохвильових світлодіодів перевищує температуру короткохвильових світлодіодів.

Практичне значення одержаних результатів.

1. На основі проведених досліджень розроблено рекомендації, щодо оптимізації світлодіодів з точки зору мінімізації впливу ефекту концентрування струму.

2. Показано, що причиною катастрофічної деградації світлодіодів є виникнення локального розігріву, градієнт температури при якому досягає 10⁴ C/см.

3. Показано, що InAsSbP/InAsSb світлодіоди виготовлені методом рідко-фазної епітаксії, можуть бути використані в приладах динамічної імітації сцен в середньому інфрачервоному діапазоні. Обґрунтовані їх переваги над тепловими випромінювачами і лазерами.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, автору належать: постановка мети і конкретних задач дослідження [1-10], планування експериментів [1-5], розробка та реалізація експериментальних схем [2-3,5], розробка теоретичної моделі і чисельні розрахунки [1,4-10], безпосереднє виконання експериментів [1-7], обробка та аналіз експериментальних результатів [1-10], підготовка ілюстративних матеріалів [1-10], участь в написанні праць [1-2,4-5], написання тез [8-10], літературний пошук [1-5,7-10].

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати роботи доповідалися і обговорювалися на наступних наукових семінарах і конференціях: 6th International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics and Devices, 27 June - 2 July 2004, St Petersburg, Russia; Fifth International Conference on Solid State Lighting “Optics & Photonics 2005”, 31 July - 4 August 2005, San Diego, USA; VI международый украинско-российский семинар “Нанофизика и наноелектроника”, 26-28 сентября 2005, Киев, Украина; Conference on Optoelectronic Devices: Physics, Fabrication and Application III “Optics East 2006”, 1-6 October, 2006, Boston, USA; Девятая конференция “Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V”, 3-5 октября 2006, Томск, Россия; Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників “Лашкарьовські читання - 2007”, 25-26 квітня 2007, Київ, Україна; VIII международный украинско-российский семинар “Нанофизика и наноелектроника”, 7-8 декабря 2007, Киев, Украина.

Публікації. Основні результати дисертації відображено у 10 наукових публікаціях: 5 статей в наукових журналах, 5 публікацій в тезах наукових конференцій. Всі видання рекомендовані ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку цитованої літератури. В роботі 140 сторінок друкованого тексту, 59 рисунків та список використаних літературних джерел, що містить 117 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність і доцільність теми дисертації, сформульована мета і завдання роботи, наукова новизна і практична цінність результатів роботи, апробація результатів дослідження, кількість публікацій за матеріалами дисертації, структура та обсяг роботи.

В першому розділі наведено огляд публікацій по темі дисертаційної роботи. Зокрема розглянуто вплив температури на квантовий вихід електролюмінесценції в багатошарових випромінюючих структурах видимої (InGaN/GaN) та інфрачервоної (InAsSbР/InAsSb) спектральних областей. Обговорюються основні безвипромінювальні процеси, що обмежують ефективність роботи випромінювачів та їх температурна залежність. Подано огляд робіт по вимірюванням температури в світловипромінюючих структурах.

Внутрішня квантова ефективність багатошарових світловипромінюючих структур, а також її температурна залежність визначається швидкостями випромінювальної та безвипромінювальної рекомбінації і є різною для різних матеріалів з яких виготовлено світлодіод. Наприклад, в світлодіодах середньої ІЧ області на основі твердих розчинів InAsSbP/InAsSb при невеликих рівнях інжекції і кімнатній температурі домінуючою є безвипромінювальна рекомбінація Шоклі-Ріда. При більших рівнях інжекції найбільшу швидкість має оже-рекомбінація. Тому внутрішній квантовий вихід в таких світлодіодах не перевищує 20 %. Більше того, внаслідок швидкого зростання швидкості оже-рекомбінації при збільшенні струму спостерігається суттєве зменшення внутрішнього квантового виходу, що в свою чергу виражається в насиченні потужності електролюмінесценції і надлишковому розігріві активної області світлодіода. Підвищення температури активної області для ІЧ світлодіодів на основі InAsSb має особливе значення. За рахунок експоненціального температурного зростання швидкості оже-процесу, навіть невелике підвищення температури призводить до значного падіння внутрішньої квантової ефективності, а таким чином і до ще більшого розігріву структури. Дещо іншою виглядає ситуація в світлодіодах короткохвильової видимої області (250-520 нм) на основі InGaN/GaN квантових ям. Внутрішній квантовий вихід світлодіодів виготовлених на багатоперіодних квантових ямах з гетеропереходами InGaN/GaN досить високий [2]. Але, не дивлячись на це, як при зростанні струму так і при зростанні температури спостерігається значне падіння їх енергетичної ефективності. Сублінійна залежність потужності електролюмінесценції від рівня інжекції пояснювалася термоактивованим витіканням носіїв із активної області, а також неоднорідністю розподілу випромінювання по активній області світлодіодів [3]. Оже-рекомбінація в InGaN/GaN квантових ямах незначна (на відміну від InAsSb), тому підвищення температури світлодіодів в процесі роботи відбувається за рахунок безвипромінювальної рекомбінації на дефектах і джоулевого розігріву (внаслідок малої рухливості носіїв заряду в n- і особливо в р-GaN шарах).

Із сказаного вище випливає, що як InAsSbP/InAsSb так і InGaN/GaN світлодіоди мають ефективність <100 % (при кімнатній температурі). При підвищенні рівня інжекції і температури ефективність ще більше зменшується, що виражається у зростанні кількості розсіяного тепла в об'ємі світлодіода. Тому важливим етапом вивчення світлодіодів є вимірювання їх теплових параметрів, зокрема температури розігріву.

Наприкінці розділу зроблені висновки відносно повноти попередніх досліджень, окреслено коло невирішених питань, сформульовані завдання роботи.

Другий розділ є методичним. В ньому описані процес виготовлення і конструкція різних конфігурацій експериментальних зразків світлодіодів, наведені їх параметри. Розглянуті схеми експериментальних установок для вивчення електрофізичних, спектральних та теплових характеристик світлодіодів з описом ходу вимірювань. Зокрема описана багатоспектральна експериментальна установка для вимірювання розподілів температури і електролюмінесценції в світлодіодах з високою просторовою і часовою роздільною здатністю.

В третьому розділі представлені дослідження локальних просторових розподілів температури і потужності електролюмінесценції в світлодіодах на основі InGaN/GaN квантових ям (л=460-470 нм) з різними конфігураціями контактних областей. Експерименти показали, що при струмах І100 мА (тривалість імпульсу - 160 мс) активна область InGaN фліп-чіп світлодіодів (розміщення сапфіровою підкладкою вверх) практично не нагрівається. Внаслідок близькості активної області від радіатора, температура її розігріву не перевищує 6 С. Більше того, тепло рівномірно розподіляється по структурі (рис.1(a)) і таким чином теплові ефекти є не впливовими в цьому інтервалі струмів. Як наслідок, ват-амперна залежність світлодіодів до І=100 мА є майже лінійною.

Але, ситуація різко змінюється при зростанні струму. На рис.1(b) показана теплова картина світлодіода при І=200 мА. На ній чітко розрізняються дві ділянки підвищеної температури, положення яких тісно пов'язане з геометрією контактів. Перша “гаряча” ділянка знаходиться за межами випромінюючої структури і повністю повторює форму “вилочного” n-контакту. Походження цього розігріву викликане високим послідовним опором Ti/Al n-контакту і n-GaN шару, а також відсутністю безпосереднього теплового контакту даної області з радіатором внаслідок конструктивних особливостей мезаструктури. Друга, але більш важлива, ділянка виникає безпосередньо в активній області. Температура розігріву тут виявляється дещо більшою ніж в першій ділянці. Форма цієї ділянки також нагадує форму n-контакту і виникає внаслідок ефекту концентрування струму. Дві “гарячі” ділянки розділені витравленим каналом, що обмежує активну область мезаструктури.

Вимірювання температурних профілів в режимі коротких імпульсів струму (тривалість імпульсу на багато менше характеристичного часу теплової релаксації світлодіода) свідчать про виникнення двох “точкових” розігрівів, що знаходяться на перехрестях “вилочного” n-контакту в активній області. Причиною цього є достатньо великий опір металічного Ti/Al контакту внаслідок малої товщини контактного шару. Струм починає проходити в випромінюючу структуру з основи n-контакту і тільки невелика його частина поширюється по периметру мезаструктури. При І=800 мА (тривалість імпульсу струму - 400 мкс) найбільша температура розігріву активної області підвищується до 50 С. Так як відомо, що світлодіоди на основі нітридів при низьких рівнях інжекції можуть безвідмовно працювати і при температурах до 200 С, то перегрів у 50 С не викликає особливого застереження. Але, увагу привертає інший факт: градієнт температури на ділянках локальних розігрівів досягає значення 10⁴ С/см. З однієї сторони, градієнт температури всередині багатошарової структури з різним коефіцієнтами теплового розширення може призводити до виникнення пластичних механічних напруг і деградації p-n переходу. По-друге, сумарний вплив електричних і теплових ефектів активує безвипромінювальні процеси внаслідок генерації активних енергетичних рівнів в активній області. Роль градієнта температури в процесах деградації InGaN/GaN світлодіодів видна з рис.2(b), на якому показаний розподіл температур при І=200 мА після довготривалої роботи світлодіода в екстремальному імпульсному режимі (І=1 А, тривалість імпульсу 400 мкс). Значний точковий розігрів, що виникає внаслідок локального пробою p-n переходу знаходиться в області виникнення найбільшого градієнта температури.

Неоднорідність розподілу густини струму по активній області світлодіодів зумовлює також і неоднорідність локальної потужності електролімінесценції. Мала електропровідність n-GaN шару являється не достатньою для забезпечення однорідного розтікання струму по структурі і, як наслідок, на рис.1(d) чітко розрізняються “темні” безвипромінювальні ділянки.

В четвертому розділі наведені результати вивчення ефекту концентрування струму в світлодіодах на основі подвійних гетероструктур InAsSbP/InAs_1-xSb_x на різні довжини хвиль середнього ІЧ діапазону (л=3.4, 3.6, 3.8, 4.2 мкм). Дослідження показали, що при зростанні струму потужність електролюмінесценції світлодіодів стандартної планарної конфігурації все більше неоднорідно розподіляється по активній області, зосереджуючись під верхнім точковим контактом (рис.3(a)). Але, слід відмітити наступну особливість. При однаковому струмі в більш довгохвильових світлодіодах (менша ширина забороненої зони активної області) спостерігається більш неоднорідний розподіл електролюмінесценції в порівнянні з короткохвильовими (більша ширина забороненої зони активної області) світлодіодами. Дана обставина в свою чергу означає, що і ефект концентрування струму залежить від ширини забороненої зони активної області світлодіодів.

Розрахований просторовий розподіл густини струму в активній області світлодіодів на різні довжини хвиль показаний на рис.3(d). При малих зміщеннях (І<10 мА) ефект концентрування струму майже не проявляється в усіх світлодіодах: густина струму на периферії не більше ніж на 15 % менша ніж в центрі. Це є наслідком того, що при малих зміщеннях опір p-n переходу (R_pn) значно перевищує опори n-InAsSbP (R_n) і p-InAs (R_р) шарів та має місце приблизна рівність R_pn1R_pn2. З двох шляхів протікання струму (рис.3(c)) центральний є дещо переважаючим внаслідок R_n1<R_n2. Із зростанням зміщення опір p-n переходу різко зменшується і так як V_pn1>V_pn2 (де V_pn - падіння напруги на p-n переході), то це призводить до нерівності R_pn1<R_pn2. Причому, внаслідок нелінійної залежності R_pn(V_pn), чим більше зміщення тим сильнішою стає нерівність R_pn1<R_pn2 і центральний шлях протікання струму (І₁) стає більше переважаючим. В довгохвильових світлодіодах ефект концентрування струму проявляється сильніше. Це є наслідком залежності опору p-n переходу (R_pn) від ширини забороненої зони активної області. В більш довгохвильових світлодіодах при однаковому рівні інжекції опір p-n переходу менший ніж в короткохвильових, тому величина густини струму на периферії активної області в них менша.

На рис. 3(b) показано як ефект концентрування модифікує розподіл електролюмінесценції в залежності від довжини хвилі світлодіода. При І=40 мА фактор заповнення (який визначався як відношення площі активної області, яка випромінює на рівні >80 % від максимального по розподілу значення потужності, до площі всієї активної області) зменшується відповідно до 41 % в 3.4 мкм, 28 % в 3.6 мкм, 15 % в 3.8 мкм і 3 % в 4.2 мкм світлодіодах. Із цього слідує, що поряд з оже-рекомбінацією ще однією фундаментальною причиною обмеження ефективності роботи ІЧ InAsSb світлодіодів є ефект концентрування струму, який виявляється особливо важливим в довгохвильових випромінювачах.

На відміну від стандартного режиму роботи ІЧ світлодіодів (“позитивна” люмінесценція) розподіл потужності негативної люмінесценції (вставка на рис.4(b)), що виникає внаслідок екстракції носіїв із активної області, повністю однорідний. У випадку оберненого зміщення електропровідність p-n переходу дуже низька в порівнянні з електропровідностями всіх інших шарів світлодіода, тому замість концентрування струму спостерігається ефект розтікання струму.

Низький квантовий вихід, джоулевий розігрів, мала теплопровідність АІІІ-BV сполук при високих рівнях інжекції призводять до того, що переважаюча частина поданої на ІЧ світлодіод електричної потужності трансформується в тепло, а не в світло. Як наслідок, температура p-n переходу зростає, що в свою чергу супроводжується падінням внутрішнього квантового виходу і насиченням потужності випромінювання (динамічна деградація). Експеримент показує, що температура розігріву (максимальна по розподілу) активної області InAsSbP/InAsSb лінійно зростає із зростанням електричної потужності. Причому, тепловий опір приладу, визначений по нахилу цієї лінійної залежності зростає із зростанням довжини хвилі світлодіода (для л=3.4 мкм тепловий опір 73 С/Вт, тоді як для л=4.2 мкм - 149 С/Вт), що є наслідком зростання швидкості безвипромінювальної оже-рекомбінації в довгохвильових світлодіодах.

Разом із цим, зростання рівня інжекції призводить до концентрування струму поблизу верхнього точкового контакту, яке в свою чергу призводить до локалізації тепловиділення в даній області. Так в світлодіоді на 3.8 мкм збільшення рівня інжекції від І=200 мА до 500 мА (тривалість імпульсу =160 мс) призводить до шестикратного зростання градієнта температури в області верхнього точкового контакту. Вимірювання показали, що при зменшенні тривалості імпульсу збудження, градієнт температури (при одному і тому ж струмі) зростає. При =160 мс (I=500 мA) градієнт температури рівний 580 С/см, тоді як при =0.4 мс зростає до 1000 С/см. Така залежність може бути пояснена, якщо взяти до уваги процеси дифузії тепла від області концентрування струму (біля верхнього точкового контакту) у випадку коли тривалість імпульсу збудження () менша за часову постійну температурної релаксації світлодіода (_Т). Із аналізу просторових розподілів температури розігріву при різних тривалостях імпульсу збудження, були визначені довжина (L_T?400 мкм) і коефіцієнт (D_T?0.083 см²/с) дифузії тепла для активної області InAsSb світлодіодів.

Не дивлячись на існуючі недоліки ІЧ світлодіодів, в роботі показано, що вони успішно можуть бути використані в приладах імітації динамічних ІЧ сцен. Такі переваги світлодіодів як швидкодія (частота модуляції >20 кГц), можливість багатоспектральної імітації (в декількох вузьких підзонах середнього ІЧ діапазону) і можливість симуляції холодних об'єктів в режимі негативної люмінесценції роблять їх конкурентноспроможними поряд з тепловими випромінювачами і ІЧ лазерами. На рис.4 показані залежності ефективної температури від струму в InAsSbP/InAsSb планарних і мезаструктурах на різні довжини хвиль. Як видно, при зростанні довжини хвилі світлодіода ефективна температура (при однаковому струмі) сильно падає, що є наслідком впливу оже-рекомбінації. Найбільш потужний світлодіод на 3.4 мкм демонструє максимальну ефективну температуру 540 К. Внаслідок малої півширини спектру електролюмінесценції світлодіодів в порівнянні з діапазоном 3-5 мкм, ефективні температури, виміряні в цих спектральних областях, сильно відрізняються. На рис.4 штрихованими лініями показані ефективні температури виміряні в вузькому спектральному діапазоні близькому до півширині спектру електролюмінесценції світлодіодів. Видно, що ефективна температура мезаструктури на 3.4 мкм у вузькому спектральному діапазоні досягає 740 К (така температура є граничною для теплових випромінювачів). Головною перевагою світлодіодів перед тепловими випромінювачами і лазерними діодами є можливість динамічної імітації холодних сцен. На відміну від лазерних діодів, світлодіоди не мають порогового струму і тому дають можливість легко модулювати ефективну температуру в невеликих межах біля її рівноважного значення. Комбінуючи пряме і зворотне зміщення можна імітувати гарячі, холодні, а також слабо помітні в середній ІЧ області об'єкти.

Розрахунки показують, що збільшення зовнішнього квантового виходу електролюмінесценції (текстурування поверхні), зменшення ефекту концентрування струму (мезаструктура з двостороннім розташуванням контактів; широкий нижній контакт, що покриває всю мезу; використання багатомезової структури; виготовлення вигнутої форми випромінюючої поверхні світлодіода) призведе до двократного зростання потужності електролюмінесценції InAsSb світлодіодів і її термографічного еквіваленту - ефективної температури.

В п'ятому розділі описані дослідження нерівномірностей розподілу тепла і світла в AlGaAs/GaAs випромінюючих структурах ближнього ІЧ діапазону. Так як AlGaAs/GaAs гетероструктури характеризуються дуже високим внутрішнім квантовим виходом (~98 %), то світлодіоди на їх основі являються цікавими для даної роботи з точки зору вияснення того, як ефект концентрування струму впливає на локальні розподіли температури розігріву світлодіодів в яких безвипромінювальні процеси виражені найбільш слабо.

Вимірювання проведені в імпульсному режимі (тривалість імпульсу струму - 160 мс) показали, що внаслідок близькості активної області світлодіодів від радіатора (фліп-чіп мезаструктура) температура її розігріву при струмах до 350 мА не перевищує 5 С. Але, ситуація різко змінюється при зростанні струму: температура розігріву значно зростає і стає неоднорідно розподіленою. Поряд з розігрівом центральної частини, на картині розподілу температури з'являється більш нагріта кругова область біля краю мези. В той час як крайова частина активної області розігрівається при І=3 А більше 50 С, температура центральної частини не перевищує 39 С. Вимірювання температур в режимі коротких імпульсів (тривалість - 400 мкс) показали, що, не дивлячись на слабий розігрів (ДТ?12 С), градієнт температур в активній області AlGaAs/GaAs світлодіодів при І=3 А перевищує 950 С/см (рис.5(d)). Як наслідок, так як і у випадку InGaN/GaN світлодіодів видимого діапазону, градієнт температури зумовлює пластичні механічні деформації кристалічної гратки і виникнення локальних шунтуючих ділянок в p-n переході.

Для визначення причин виникнення теплових неоднорідностей було проведено моделювання процесів розігріву і розтікання струму в об'ємі світлодіодів. Результати розрахунку свідчать про існування ще одного типу концентрування струму, який не розглядався вище. Він пов'язаний з неоднорідностями густини струму не в активній області, а безпосередньо біля р-контакту (контактний ефект концентрування). Цей ефект пов'язаний з сингулярністю електричного поля на межі р-контакту і тому слабо залежить від загального струму (спостерігається незначне його зменшення із зростанням загального струму). Розрахунок показує, що цей ефект не тільки призводить до значного розігріву контактного р-AlGaAs шару, а також блокує відведення розсіяного в активній області тепла, чим створює небезпеку деградації приладу. Неоднорідний розподіл густини струму присутній також і в активній області AlGaAs світлодіодів. Подібно до контактного ефекту концентрування, в активній області також спостерігається підвищення густини струму безпосередньо над краєм р-контакту. Але, як слідує із рис.6(a, b) по-перше, густина струму в активній області розподілена більш рівномірно ніж на межі розділу р-AlGaAs і р-контакту (відношення максимальної густини струму до її середнього значення не перевищує 1.9, в той час як на р-контакті це відношення рівне 7.5); по-друге, з збільшенням загального струму через світлодіод ефект концентрування в активній області посилюється. Ймовірно саме з останнім пов'язане експериментально виявлене зростання неоднорідностей розподілу електролюмінісценції і температури розігріву при зростанні струму.

Розглянуті ефекти мають були взяті до уваги під час проектування потужних AlGaAs/GaAs світлодіодів з великою випромінюючою площею. Наприклад номінальний рівень легування контактного р-AlGaAs шару, широкий нижній контакт, що покриває всю поверхню мези і радіатор з можливістю селективно охолоджувати локально розігріті ділянки, значно підвищить стабільність і довготривалість роботи світлодіодів.

ВИСНОВКИ

1. Проведений на основі розробленої нелінійної моделі чисельний розрахунок протікання струму в багатошарових структурах показав, що ефект концентрування визначається лише електропровідностями та товщинами шарів (в тому числі і p-n переходу), а також геометрією контактних областей світлодіода.

2. Локальний розігрів активної області світловипромінюючих структур, який виникає внаслідок ефекту концентрування струму, призводить до їх динамічної (насичення інтегральної потужності електролюмінесценції) і статичної (локальний пробій) деградації.

3. Вимірювання температури розігріву світлодіодів видимої області на основі InGaN/GaN показали наявність в активній області значних температурних градієнтів ~10⁴ С/см. Градієнт температури в середині багатошарової випромінюючої структури з різними коефіцієнтами теплового розширення шарів, генерує пластичні механічні напруги в p-n переході і провокує катастрофічну деградацію приладу. Сумісна дія електричних (концентрування струму) і термічних (концентрування тепла) ефектів призводить до подавлення випромінювальної рекомбінації.

4. Порівняння просторових розподілів електролюмінесценції і температури показує, що сильний локальний розігрів відбувається в тих ділянках, де переважно відбувається рекомбінація інжектованих в активну область носіїв. Таким чином ефект концентрування не тільки обмежує область ефективного випромінювання, а і призводить до зменшення локального квантового виходу в ділянках підвищеної концентрації інжектованих носіїв.

5. При низьких рівнях інжекції вплив ефекту концентрування незначний, тоді як при великих він призводить до обмеження площі випромінюючої області світлодіодів на рівні кількох процентів. Ця немонотонність пояснюється нелінійними електричними властивостями p-n переходу.

6. Зменшення ширини забороненої зони активної області світлодіодів (збільшення довжини хвилі максимуму електролюмінесценції) призводить до зростання впливу ефекту концентрування струму, що відповідним чином відображається на просторових розподілах потужності електролюмінесценції.

7. Зважаючи на такі переваги ІЧ світлодіодів як швидкодія, високі ефективні температури, можливість імітації як позитивного так і негативного контрасту, вони можуть бути використані в приладах динамічної імітації ІЧ сцен.

8. Дослідження світлодіодів на основі AlGaAs/GaAs гетероструктур показує, що не дивлячись на високий внутрішній квантовий вихід і вигідну з точки зору розтікання струму двосторонню мезаструктуру, поряд з значним розігрівом (~50 C) в них присутній також і значно неоднорідний розподіл температури активної області (~950 С/см), який є відповідальним за передчасну деградацію приладів.

9. Передбачено існування двох типів ефекту концентрування: контактний ефект концентрування струму, що спостерігається безпосередньо біля поверхні металічного контакту (слабо залежить від величини загального струму), і ефект концентрування в активній області, який призводить до експериментально досліджуваних просторових неоднорідностей електролюмінесценції.

10. Проведені дослідження демонструють можливість суттєвого підвищення енергетичної ефективності багатошарових світловипромінюючих діодів шляхом модифікації геометрії контактних областей, оптимального вибору рівня легування і товщини світлодіодних шарів, а також ефективної конструкції радіатора.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Malyutenko V.K., Zinovchuk A.V., Malyutenko O.Yu. Band gap dependence of current crowding effect in 3-5 мm InAsSb/InAs planar light emitting devices. // Semicond. Sci. Technol. 2008. v.23. p.085004.

2. Zinovchuk A.V., Malyutenko O.Yu., Malyutenko V.K., Podoltsev A.D., Vilisov A.A. The effect of current crowding on the heat and light pattern in high-power AlGaAs light emitting diodes. // J. of Appl. Phys. 2008. v.104. p.033115.

3. Malyutenko V.K., Malyutenko O.Yu., Zinovchuk A.V. Room-temperature InAsSbP/InAs light emitting diodes by liquid phase epitaxy for midinfrared (3-5 µm) dynamic scene projection. // Appl. Phys. Lett. 2006. v.89. p. 201114.

4. Malyutenko V.K., Zinovchuk A.V. Mid-infrared LEDs versus thermal emitters in IR dynamic scene simulation device. // Proc. SPIE. 2006. v.6368. p.63680D.

5. Malyutenko V.K., Malyutenko O.Yu., Zinovchuk A.V., Zakheim A.L., Zakheim D.A., Smirnova I.P., Gurevich S.A. Remote temperature mapping of high-power InGaN/GaN MQW flip-chip design LEDs. // Proc. SPIE. 2005. v.5941. p. 59411K.

6. Malyutenko V., Malyutenko O., Zinovchuk A., Zotova N., Karandashev S., Matveev B., Remennyi M., Stus N. InAs(Sb) LEDs and negative luminescent devices for dynamic scene simulation in the first atmospheric window (3-5 µm). // Тези доповідей. Sixth International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics Material and Devices, St. Petersburg, Russia, 28 June-2 July 2004, p. 77.

7. Малютенко В.К., Малютенко О.Ю., Зиновчук А.В. 2D микро-распределение света и теплового поля в светоизлучающих приборах made in Russia. // Тезисы VI международного украинско-российского семинара “Нанофизика и наноелектроника”, 26-28 сентября 2005, Киев, Украина, с. 56.

8. Зиновчук А.В., Малютенко В.К., Вилисов А.А., Захарова Г.Н. Эффекты стягивания тока в светоизлучающих диодах. // Тезисы Девятой конференции “Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V”, 3-5 октября 2006, Томск, Россия, с. 404.

9. Зіновчук А. InAsSbP/InAsSb світлодіоди для динамічної імітації сцен в середній інфрачервоній (3-5 мкм) області. // Тези конференції молодих вчених з фізики напівпровідників “Лашкарьовські читання - 2007”, 25-26 квітня 2007, Київ, Україна, с. 48.

10. Зиновчук А.В., Вилисов А.А. Real-time мониторинг теплового поля в мощных AlGaAs светодиодах. Тезисы VIII международного украинско-российского семинара “Нанофизика и наноелектроника”, 7-8 декабря 2007, Киев, Украина, с. 40.

АНОТАЦІЯ

Зіновчук Андрій Васильович. Вплив ефекту концентрування струму на поведінку електронно-діркової плазми в багатошарових світловипромінюючих структурах - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07. - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2008.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню ефекту концентрування струму в багатошарових світловипромінюючих діодах видимої (InGaN/GaN), ближньої (AlGaAs/GaAs) та середньої (InAsSbP/InAsSb) інфрачервоних областей. Шляхом локальних вимірювань температури показано, що наслідком ефекту концентрування струму є наявність значних неоднорідностей розігріву в світлодіодах на основі InGaN/GaN квантових ям (л=460-470 нм). Сумарний вплив електричних і теплових ефектів призводить до виникнення “теплових пасток” - малих ділянок (діаметром 20 мкм) підвищеної температури в середині активної області приладів градієнт температури в яких досягає 10⁴ С/см.

Експериментально виявлена і теоретично обґрунтована залежність ефекту концентрування струму від ширини забороненої зони активної області (довжини хвилі електролюмінесценції) планарних світлодіодів середньої інфрачервоної області (л=3-5 мкм) на основі InAsSbP/InAsSb подвійних гетероструктур. При однаковому рівні інжекції в більш довгохвильових світлодіодах спостерігається більш неоднорідний розподіл електролюмінесценції в порівнянні з короткохвильовими. Крім того, зростання впливу безвипромінювальної рекомбінації призводить і до більшої температури розігріву довгохвильових світлодіодів.

Не дивлячись на існуючі недоліки інфрачервоних світлодіодів в роботі показано, що вони успішно можуть бути використані в приладах імітації динамічних інфрачервоних сцен. Такі переваги світлодіодів як швидкодія (частота модуляції >20 кГц), широкий діапазон ефективних температур, багатоспектральна імітація (в декількох вузьких підзонах середньої інфрачервоної області) і можливість симуляції “холодних” сцен в режимі негативної люмінесценції, роблять їх конкурентоспроможними поряд з тепловими випромінювачами і лазерами.

На прикладі AlGaAs/GaAs фліп-чіп мезаструктур (л=0.87-0.88 мкм) вивчений вплив ефекту концентрування струму на локальні розподіли температури розігріву в світлодіодах з 98 % внутрішнім квантовим виходом. Показано, що не дивлячись на високий внутрішній квантовий вихід і вигідну з точки зору розтікання струму двосторонню мезаструктуру, поряд з значним розігрівом (ДT=50 C) в AlGaAs/GaAs світлодіодах присутній також і значно неоднорідний розподіл температури активної області (градієнт температури >950 С/см), який є відповідальним за передчасну деградацію приладів. Теоретично передбачено існування двох типів ефекту концентрування в мезаструктурах: контактний ефект концентрування струму, що спостерігається безпосередньо біля поверхні металічного контакту і ефект концентрування в активній області світлодіода.

Ключові слова: багатошарові світловипромінюючі структури, електролюмінесценція, ефект концентрування струму, джоулевий розігрів, безвипромінювальна рекомбінація, інфрачервона мікроскопія, InGaN/GaN, ІnAsSbP/ІnAsSb, AlGaAs/GaAs.

АННОТАЦИЯ

Зиновчук Андрей Васильевич. Влияние эффекта концентрирования тока на поведение электронно-дырочной плазмы в многослойных светоизлучающих структурах - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07. - физика твердого тела. - Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2008.

Диссертационная работа посвящена исследованию эффекта концентрирования тока в многослойных светоизлучающих диодах видимой (ІnGaN/GaN), ближней (AlGaAs/GaAs) и средней (ІnAsSbP/ІnAsSb) инфракрасных областей. Основное внимание уделялось изучению влияния данного эффекта на неоднородность распределений электролюминесценции и температуры разогрева активной области светодиодов.

Путем локальных измерений температуры показано, что следствием эффекта концентрирования тока есть наличие значительных неоднородностей разогрева светодиодов на основе ІnGaN/GaN квантовых ям (л=460-470 нм). Суммарное влияние электрических и термических эффектов приводит к возникновению “тепловых ловушек” - малых участков (диаметром 20 мкм) повышенной температуры активной области. Градиент температуры в таких участках достигает 10⁴ С/см. Значительные температурные градиенты провоцируют в многослойной (с разными коэффициентами теплового расширения) структуре светодиода рост механических пластических напряжений и генерацию активных безызлучательных энергетических уровней. Положение зон сильного локального разогрева и величина температурного градиента зависит от конфигурации контактных областей светодиодов.

Экспериментально обнаружена и теоретически обоснована зависимость эффекта концентрирования тока от ширины запрещенной зоны активной области (длины волны электролюминесценции) светодиодов средней инфракрасной области (л=3-5 мкм) на основе ІnAsSbP/ІnAsSb двойных гетероструктур. При одинаковом уровне инжекции в более длинноволновых светодиодах эффект концентрирования проявляется сильнее. В результате, в длинноволновых светодиодах наблюдается более неоднородное распределение электролюминесценции по сравнению с коротковолновыми. Кроме того, неоднородное распределение тока провоцирует и неоднородности разогрева активной области ІnAsSbP/ІnAsSb светодиодов. Максимальный разогрев возникает на тех участках, где большинство инжектированных в активную область носителей рекомбинируют. Вследствие увеличения роли безызлучательной рекомбинации в длинноволновых светодиодах при одинаковом уровне инжекции, температура их разогрева превышает температуру более коротковолновых излучателей.

В отличие от стандартного режима работы инфракрасных светодиодов (электролюминесценция), распределение мощности излучения негативной люминесценции (обратное смещение) полностью однородное. В случае обратного смещения проводимость p-n перехода очень низкая по сравнению с проводимостями всех остальных светодиодных слоев, поэтому вместо концентрирования тока наблюдается эффект растекания тока.

Несмотря на существующие недостатки инфракрасных светодиодов в работе показано, что они успешно могут быть использованы в приборах имитации динамических инфракрасных сцен. Такие преимущества светодиодов как быстродействие (частота модуляции >20 кГц), широкий диапазон эффективных температур, многоспектральная имитация (в нескольких узких подзонах внутри средней инфракрасной области) и возможность симуляции “холодных” сцен в режиме негативной люминесценции делают их конкурентоспособными на ряду с тепловыми излучателями и лазерами.

На примере AlGaAs/GaAs флип-чип мезаструктур (л=0.87-0.88 мкм) изучено влияние эффекта концентрирования тока на локальные распределения температуры разогрева в светодиодах с 98 % внутренним квантовым выходом. Показано, что, несмотря на высокий внутренний квантовый выход и выгодную с точки зрения растекания тока двустороннюю мезаструктуру, на ряду со значительным разогревом (ДT=50 C), в AlGaAs/GaAs светодиодах присутствует также и неравномерность распределения температуры в активной области (градиент температуры >950 С/см), которая есть причиной преждевременной деградации приборов. Теоретически предсказано существование двух типов эффекта концентрирования в мезаструктурах: контактный эффект концентрирования тока, который наблюдается непосредственно возле поверхности металлического контакта и эффект концентрирования в активной области светодиода.

Проведенные исследования демонстрируют возможность увеличения энергетической эффективности светодиодов путем модификации геометрии контактных областей, оптимального выбора уровня легирования и толщины светодиодных слоев, а также эффективной конструкции радиатора.

Ключевые слова: многослойные светоизлучающие структуры, электролюминесценция, эффект концентрирования тока, джоулев разогрев, безызлучательная рекомбинация, инфракрасная микроскопия, ІnGaN/GaN, ІnAsSbP/ІnAsSb, AlGaAs/GaAs.

SUMMARY

Zinovchuk Andriy Vasilovich. Effect of current crowding on the behavior of electron-hole plasma in multilayer light emitting structures. - Manuscript.

Thesis for Candidate of Phys.-Math. Sci. Degree in speciality 01.04.07. - solid state physics. - V. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2008.

The work deals with the investigation of current crowding effect in visible (ІnGaN/GaN), near (AlGaAs/GaAs) and mid (ІnAsSbP/ІnAsSb) infrared multilayer light emitting diodes (LED). By means of local temperature measurements it is shown considerable overheating nonunifotmity caused by current crowding in ІnGaN/GaN multiple quantum well LEDs (л=460-470 nm). Combined influence of electrical and thermal effects results in “heat traps” - small high temperature zones (diameter 20 µm) inside active region. The temperature gradients in such local zones reach up to 10⁴ С/cm.

...