РЕФЕРАТ 3
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Люминесцентные свойства светодиодных структур 7
1.1 Конструкции современного светодиода на основе InGaN/GaN 7
1.1.1 Светодиодные структуры на основе GaN 7
1.1.2 Квантовые ямы 8
1.1.3 Короткопериодные сверхрешетки 10
1.2 Характеристики светодиодных структур 11
1.2.1 Внутренний квантовый выход и вывод излучения из диода 11
1.2.2 ABC - модель рекомбинации 13
1.2.3 Влияние пьезоэлектрических полей на характеристики структур с
квантовыми ямами InGaN/GaN 18
1.2.4 Люминесценция 19
1.3 Механизм влияния короткопериодных сверхрешеток на квантовый выход 19
1.4 Выводы к обзору литературы 26
2 Экспериментальная часть 28
2.1 Экспериментальные образцы 28
2.2 Экспериментальная методика 29
3 Экспериментальные результаты 31
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 43
Нитрид галлия - это бинарное соединение, на основе которого создаются современные структуры и приборы микро- и наноэлектроники. Наиболее широкое распространение данный материал получил в области оптоэлектроники, что связано с прямозонным спектром его электронных состояний, и быстродействующей электронике высокой мощности, что обусловлено большой шириной запрещенной зоны и относительно высокой подвижностью носителей заряда. Нитрид галлия и его сопутствующие соединения на основе растворов AlGaInN нашли широкое распространение в изготовлении светодиодов видимого диапазона спектра, предназначенных для изготовления осветительных устройств нового поколения. В 2014 году Нобелевская премия по физике была присуждена японским ученым Исаму Акасаки, Хироси Амано и Судзи Накамуре за "изобретение эффективных синих светодиодов, приведших к появлению ярких и энергосберегающих источников белого света".
Квантовый выход светодиодных гетероструктур с множественными квантовыми ямами InGaN/GaN является предметом интенсивных прикладных и фундаментальных исследований. Причиной этому является эффект, который в зарубежной литературе получил название "efficiency droop". Эффект выражается в снижении внешнего квантового выхода при увеличении плотности тока накачки, начиная с j ~ 1 — 10 А/см2 (для температур T = 300 К), и не связан с перегревом светодиодов. Существует много факторов, влияющих на внутреннюю квантовую эффективность излучения, таких как влияние пьезоэлектрических полей в InGaN- квантовых ямах, плотности дислокаций, профилей легирования атомами Mg и Si. В связи с этим актуальным является исследование квантового выхода и эффекта "efficiency droop" для разных видов люминесценции.
Традиционно активная область светодиодов представляет собой последовательность нескольких квантовых ям InGaN толщиной 2-3 нм, разделенных барьерами GaN. Данные структуры выращены методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений на сапфировой подложке в направлении (0001). Структуры InGaN/GaN обладают высокими напряженностями пьезополя (до 1-3 МВ/см) и высокой плотностью дислокаций (108-109 см-2). Несмотря на это, неравномерность состава слоев InGaN, приводящая к формированию локализованных состояний, позволяет добиться высоких значений внутреннего квантового выхода (ВКВ) в светодиодах с множественными квантовыми ямами (МКЯ) InGaN/GaN. Кроме того, для повышения ВКВ ранее предложен ряд подходов в проектировании активной области данных структур, которые связаны с введением дополнительных буферных слоев в активную область, представляющих собой короткопериодные сверхрешетки InGaN/GaN (КПСР) с низким содержанием In или относительно толстые (десятки нанометров) слои InGaN. Исходя из результатов работ можно полагать, что использование КПСР позволяет повысить внутренний квантовый выход светодиодов при номинальной силе тока, либо увеличить сигнал фотолюминесценции в области невысокой плотности накачки. В настоящей работе исследовано влияние КПСР на ВКВ фото- и электролюминесценции в области высокой интенсивности накачки (до 1 МВт/см2), что соответствует номинальным плотностям тока светодиодов синего диапазона на основе InGaN/GaN.
Результаты работы могут быть использованы при проектировании приборов на основе квантовых ям InGaN/GaN, которые могут находить применение в различных направлениях и сферах жизни, а именно:
1. все виды световой рекламы (вывески, щиты, световые короба и др.);
2. дизайн помещений, мебели;
3. архитектурная и ландшафтная подсветка;
4. магистральные информационные табло;
5. полноцветные дисплеи для больших видео экранов;
6. внутреннее и внешнее освещение в автомобилях, грузовиках и автобусах;
7. дорожные знаки и светофоры.
Следует отметить, что детальное исследование спектров и квантового выхода фото- и электролюминесценции светодиодных гетероструктур с различными параметрами сверхрешетки не проводились.
Поэтому важно исследовать влияние конструкции светодиодных структур InGaN/GaN на спектры и квантовый выход фото- и электролюминесцен
В ходе работы проведены измерения спектров фото- и квантового выхода электролюминесценции структур с короткопериодными сверхрешетками. Были получены мощностные и температурные зависимости спектров фотолюминесценции в диапазоне температур T = 10 - 300 К при возбуждении лазерным источником, излучающим на длине волны 355 нм и зависимости квантового выхода электролюминесценции при комнатной температуре T = 300 К. Из полученных результатов видно, что максимальное значение ВКВ для режима ФЛ больше на 41% относительно базовой структуры, для режима ЭЛ - на 11% при введении НКПСР. Для остальных структур наблюдается похожая ситуация: для структуры с ВКПСР разница для максимума составляет порядка 14%. Такое различие можно объяснить низким уровнем туннельных и термически активированных утечек неосновных носителей заряда в режиме ФЛ, различным влиянием встроенного пьезополя на пространственное разделение электронов и дырок, а также может связано с разными механизмами появления носителей заряда в активной области.
На основе анализа изложенных ранее данных можно сделать следующие выводы:
1. Для режимов электролюминесценции и фотолюминесценции внутренний
квантовый выход можно описать с помощью ABC-модели рекомбинации (процессами безызлучательной рекомбинации Шокли-Рида,
излучательной рекомбинации и рекомбинации Оже).
2. Напряженность встроенного пьезополя в базовой структуре из InGaN/GaN достигает значений порядка 1 МВ/см.
3. Введение НКПСР приводит к снижению влияния встроенных пьезоэлектрических полей, препятствующих переносу носителей между квантовыми ямами; помимо этого, НКПСР способствует уменьшению плотности дислокаций в активной области структуры. Как итог, происходит увеличение ВКВ.
4. При внесении ВКПСР внутренний квантовый выход, в основном, уменьшается. Это явление может объясниться наличием так называемого слоя "charge carrier cooler", при котором происходит "охлаждение" дырки - потеря дыркой кинетической энергии вследствие ее прохождения через ВКПСР.
