Исследование физических процессов в гетероструктурах на основе нитрида галлия с квантовыми ямами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ



На правах рукописи

.<■■11111111 ПН II ■!! VIII * г

^^¿0347 1425

Солонин Александр Павлович

Исследование физических процессов в гетероструктурах на основе нитрида галлия с квантовыми ямами

01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 В йМ

Ульяновск - 2009

Работа выполнена на кафедре Радиофизики и электроники в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ульяновский государственный университет

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Грушко Наталья Сергеевна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Горелик Владгшир Семенович,

кандидат физико-математических наук, доцент Амброзевич Александр Сергеевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО Самарский государственный

университет

Защита состоится 18 июня 2009 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.278.01 при Ульяновском государственном университете по адресу: Набережная р. Свияги, д. 106, корпус 1, ауд. 703.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ульяновского государственного университета, с авторефератом - на сайте вуза http://www.uni.ulsu.ru

Автореферат разослан (-) » мая 2009 г. Отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 432000, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, д. 42, УлГУ, Управление научных исследований

Ученый секретарь А /у

диссертационного совета, к. ф.-м. н. /г! _/^нострецова Л.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сегодня светодиоды (СД) прочно вошли в нашу жизнь, но этому предшествовала огромная научно-исследовательская работа. Начиная с 20-х годов прошлого века, проводились исследования электролюминесценции (ЭЛ) полупроводникового перехода. Открытие получило официальное название - «свечение Лосева» в честь радиофизика О. В. Лосева (Нижегородская радиолаборатория (HPЛ)). Первые промышленные образцы светодиодов появились только в начале 60-х годов XX века. Это были фосфидо-галлиевые светодиоды красного свечения. Позже появились карбидокремниевые диоды со свечением жёлтого цвета. Затем удалось создать зелёный и оранжевый светодиоды. Только в 80-х годах был получен светодиод со свечением синего цвета. В 1996 году был изготовлен первый СД, дающий белый цвет свечения [1]. Таким образом, цветовая гамма видимого спектра была полностью «охвачена» светодиодами.

Однако работы по совершенствованию и применению нового класса твердотельных излучающих приборов продолжаются и сейчас. Ежедневно расширяется спектр применения СД. Особенно широко распространились сверхъяркие СД на основе соединений AUIBV, в частности, одним из преимущественных направлений стало производство СД на основе нитрида галлия и его твердых растворов. Над решением данных задач работают крупнейшие корпорации мира: DuPont Displays, Samsung, Sony, Hewlett-Packard, IBM, Kodak, Lucent, Philips, а также менее именитые фирмы, специализирующиеся на оптических приборах: King Bright, Osram и др.

Сегодня СД (в том числе и на основе AlGaN/InGaN/GaN) можно встретить:

1 ) в уличных светофорах (зеленый свет),

2) в оптических приборах автомобилей (сигналы поворота и стоп-сигналы),

3) в подсветках жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев),

4) в качестве индикаторов в различных электронных приборах и охранных системах,

5) в цветных лазерных принтерах высокого разрешения;

6) в системах связи на основе волоконно-оптических линий;

7) в производстве экономичных осветительных устройств (есть мнение, что уже к 2010 году СД вытеснят лампы накаливания);

8) в полноцветных дисплеях;

9) в многокристальных светодиодных матрицах RGB, которые позволяют управлять цветом;

10) на основе светодиодов создано устройство, которое проецирует изображение прямо на сетчатку глаза, что позволяет пациентам с частичной потерей зрения читать и исследовать виртуальные строения.

Также необходимо сказать, что существует две технологии получения белого света с помощью светодиодов. Первая - красный, зеленый и синий кристаллы в одном корпусе. Вторая - более дешевый подход - основан на включении в синий светодиод люминофора, который поглощает часть синего света и флуоресцирует в широком спектре, достигая белого цвета [2]. Это также расширяет сферу применения InGaN/GaN светодиодов.

Столь широкое распространение нитридов - элементов группы Ш (AIN, GaN, InN) и их сплавов - стало возможным лишь благодаря их свойствам: материалы имеют прямую структуру зон с шириной запрещенной зоны от 0.7 эВ до 6.2 эВ при комнатной температуре [3J. Для создания СД-структур с преобладающим излучением в синем и ультрафиолетовом спектральных диапазонах обычно используются GaN и твердые растворы на его основе In„Gai_xN, AlxGai_xN. GaN - прямозонный материал, гексагональная модификация которого имеет ширину запрещенной зоны 3.4 эВ при комнатной температуре.

В настоящее время серьезную конкуренцию СД на основе нитрида галлия и его твердых растворов составляют органические полупроводниковые устройства, которые также обладают

электролюминесцентными свойствами. Органические полупроводниковые диоды могут быть сделаны на тонких сгибаемых листах, а также они обладают меньшей себестоимостью. Однако по своей основной характеристике - яркости - органические СД пока проигрывают светодиодам на основе ОаЫ.

Значение светоотдачи белых светодиодов на основе 1пОаМ/АЮа!<Г/ОаМ на данный момент уже превышает 90 лм/Вт [4] в сравнении с лампами накаливания - 15 лм/Вт. Среднее время наработки на отказ для СД лежит в диапазоне от 105 до 106 часов - это довольно длительный период, для сравнения - в году 8 760 или 8 784 часов [5, 6].

Несмотря на такие значительные успехи науки в области применения светодиодов на основе нитрида галлия и технологии их производства, остается еще достаточное количество не решенных и не проработанных до конца вопросов. Не в полной мере исследованными остаются физические процессы, протекающие в таких структурах. В частности, не построена чёткая теория токопереноса, описывающая всё семейство СД на основе СаЫ с квантовыми ямами (КЯ). Для полного описания структуры 1пОаМЛЗаМ, её особенностей и физических процессов, протекающих в ней, необходимо провести дополнительно целый ряд экспериментов. Остаются открытыми вопросы о повышении КПД и светоотдачи, о влиянии внешних воздействий на эти параметры, о совместном использовании различных светоизлучающих устройств. Необходимо постоянное совершенствование технологии производства СД с КЯ - в частности, этому могут способствовать исследования в области варьирования количества КЯ, изменения параметров КЯ и уровней в них под внешним силовым воздействием. Также перспективным, на наш взгляд, является исследование дефектов в структурах с КЯ и их влияния на работу СД. Таким образом, актуальность темы не вызывает сомнений.

Цель исследования: определить основные механизмы формирования токов в исследуемой структуре ЫЗаМ/АЮаКГ/ОаМ; зависимости КПД, яркости и светоотдачи от них, а также пути улучшения излучающих

характеристик СД; исследовать глубокие центры в СД на основе 1пОаМ/АЮаМ/СаЫ.

Поставленная цель предполагает решение следующих задач:

1. Исследование механизмов токопереноса в структурах на основе твердого раствора 1пОаЫ с двумя КЯ.

2. Экспериментальное исследование электрических и электролюминесцентных характеристик структур на основе InGaN/GaN и параметров рекомбинационных уровней в изучаемых структурах до и после облучения у-излучением.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена модель токопереноса в светодиодах с квантовыми ямами с для объяснения процессов излучательной рекомбинации. В случае наличия двух квантовых ям наибольшая концентрация носителей заряда может достигаться на уровне во второй квантовой яме, которая является рабочей, в ней осуществляется зона-зонная излучательная рекомбинация между квантовыми уровнями в квантовой яме.

2. В работе представлено исследование прыжковой проводимости, которое показало, что существуют две плотности состояний вблизи уровня Ферми, проявляющиеся в разных температурных диапазонах. Также выявлено, что у-облучение кардинально меняет плотность состояний. Для необлучённого образца характерен рост плотности локализованных состояний, начиная с напряжения в 1.5 В, который заканчивается значительными осцилляциями §(ц) с ростом напряжения. Для облучённых образцов резкий рост плотности состояний наблюдается уже с малых значений напряжения, а затем обнаруживается более стремительное падение. Причём точки максимума (II = 1.36 В для 0.3 мРад и и = 1.42 В для 0.5 мРад) на графиках в(ц)(1Г) для облучённых образцов представляют собой максимумы типа пиков.

3. Определены энергии залегания глубоких центров исследуемой структуры с помощью методов рекомбинационной спектроскопии,

емкостной спектроскопии и по К„р. Исследовано влияние у-облучения на данные уровни.

4. Установлено влияние у-облучения на яркостные характеристики нитрид галлиевых диодов. Эффективность излучения растет и достигает максимума при токе 1-3 тА. При дозе 0.3 мРад в максимуме г) -11%, при дозе 0.5 мРад

- 77 = 9% и в образце без облучения - 8%. Таким образом, в образце, облучённом дозой 0.3 мРад, произошло увеличение эффективности излучения в 1.4 раза.

Практическая значимость:

1. Доказано, что радиационное воздействие на структурные дефекты изменяет их концентрацию и энергию активации, что позволяет увеличивать основной технико-экономический показатель светодиодов - квантовый выход.

2. Представлено математическое описание спектра электролюминесценции как суперпозиция спектров отдельных уровней в квантовой яме. Также разработана модель токопереноса в системе с двумя квантовыми ямами, что позволяет описывать процессы излучательной рекомбинации в 1пОаМСаМ светодиодах.

3. Используемые в работе методики и комплексный анализ емкостных и вольт-амперных характеристик исследуемого диода позволяют определить ряд важных параметров структур с квантовыми ямами: контактная разность потенциалов, ширина компенсированного слоя, градиент легирующей примеси, высота потенциального барьера, профиль легирования, энергии уровней в квантовой яме.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Установлен механизм токопереноса по температурным зависимостям ВАХ - туннелирование с участием прыжковой проводимости при наличии 2-х плотностей состояний g(^í) вблизи уровня Ферми, проявляющихся в различных температурных диапазонах. Функция термической активации тока

— Еа = А(и) имеет два квазипостоянных значения с энергией 0.85 эВ и 0.3 эВ

(при более высоких напряжениях 8а уменьшается и соответствует возрастанию g(jil)). Длина прыжка R(U) с ростом U падает при увеличении g(p) и растет при уменьшении.

2. Существуют две стадии воздействия у-излучения на СД: малые дозы -происходит деактивация Mg в р- слое путем разрушения его связи с остаточным (Н) и соответствующее увеличение эффективной концентрации акцепторов; большие дозы - образование точечных дефектов типа пар Френкеля (вероятно смещение из узлов решетки атомов азота N и образование VN - доноров). На первой стадии происходит самокомпенсация (КСо - акцепторы, VN и (VN - NCù ) - однозарядные и двухзарядные доноры компенсируют основную примесь Mg).

3. Наблюдается увеличение КПД СД при малых дозах у-облучения. Увеличивается интенсивность полосы электролюминесценции (ЭЛ), что объясняется структурным упорядочением границы раздела InGaN/GaN. В результате такого упорядочения снижается концентрация безызлучательных рекомбинационных центров и, следовательно, возрастает светимость. При высоких дозах облучения интенсивность ЭЛ уменьшается, что связано с интенсивной генерацией поверхностных радиационных дефектов (межузельный Gai мигрирует к поверхности). Подбирая параметры у-излучения, можно повысить эффективность излучения СД на основе гетероструктур AlGaN/InGaN/GaN.

Личное участие автора. Основные теоретические положения разработаны совместно с д. ф.-м. н., профессором Н.С. Грушко. Экспериментальное исследование вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик, термостимулированной емкости, нестационарной спектроскопии глубоких уровней, спектральные исследования электролюминесценции проведены автором самостоятельно на установках кафедры Инженерной физики Ульяновского государственного университета. Собрана экспериментальная установка для измерения диаграммы

направленности излучения СД и ампер-яркостных характеристик на основе трех универсальных вольтметров В7-46 и источника питания РРЕ3323 и создана программа для ее работы. Использовался люксметр/яркометр «ТКА-ПК» кафедры Радиофизики и электроники Ульяновского государственного университета. Автором самостоятельно выполнена обработка результатов эксперимента.

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается комплексным характером исследований оптических и электрических свойств светодиодов, подтверждением результатов экспериментальных измерений теоретическими расчетами, согласованием полученных в работе результатов с данными других исследователей, использованием только поверенных приборов.

Апробация работы. Результаты исследования представлялись на VIII, IX и X международной конференции «Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» в 2006, 2007 и 2008 годах, г.Ульяновск; на VIII, IX и X всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике: г.Санкт-Петербург, 2006, 2007 и 2008 гг., а также на VIII Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации». - Распознавание-2008, г. Курск, 2008 г.

Публикации. Результаты исследований отражены в 12 работах в том числе 2 публикации - в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Материал изложен на 121 страницах, содержит 76 рисунков, 8 таблиц, 82 наименований в списке литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава «Гетероструктуры с квантовой ямой на основе GaN» представляет собой обзор литературы по теме. Приводятся результаты, уже достигнутые в исследовании светодиодов на основе гетероструктур InGaN/GaN с квантовыми ямами. Описана технология производства гетероструктур с квантовыми ямами. Представлены типичные для исследуемой структуры вольт-амперные, вольт-емкостные характеристики и концентрационный профиль. Показан способ увеличения внешнего квантового выхода. Приведены спектры электролюминесценции.

Вторая глава «Электрические характеристики голубых светодиодов» посвящена анализу вольт-амперных и вольт-емкостных характеристик голубых светодиодов KPT - 1608PBC(SMD) (производитель King Bright на основе нитрида галлия).

Выявлено, что при напряжениях от 2.25 до 2.45 В преобладает инжекция носителей в базу, так как дифференциальный показатель наклона ВАХ, определяемый по формуле P(U)=(dlnI/dU)"'e/kT, на данном интервале напряжений меньше 2 [7].

При напряжениях, больших 2.45 В, начинает проявляться влияние последовательного омического сопротивления базы прибора.

При прямых напряжениях, меньших 1.85 В, (3 имеет значения от 6 до 40. Предполагаем, что токоперенос при малых напряжениях (U < 1,85 В) обусловлен туннелированием через глубокие уровни и токами утечки, что также подтверждает расчет энергии активации тока и анализ приведенной скорости рекомбинации.

С ростом напряжения в низкотемпературном (НТ) диапазоне gi(/i) -плотность состояний растет с увеличением напряжения и имеет ярко выраженные максимумы. В высокотемпературном (ВТ) диапазоне с увеличением напряжения g2(/x) растет слабее, чем в НТ диапазоне. В НТ диапазоне gi(ft)< g2(р) при U = 0.7+1.6 В и gi(^)>g2(/x) при U > 1.6 В

Средняя длина прыжка Л(7')=3/8- а(7;,/Т)'м превышает во много раз расстояние между центрами, что связано с полевыми эффектами. С увеличением напряжения в НТ области Я(и) незначительно растет до 11=1.3 В, а затем падает, что связано с резким ростом В ВТ области

Щи) постепенно падает с ростом и, что обусловлено плавным ростом g2(^t) в ВТ области.

Рассчитаны концентрационные профили всех исследованных кристаллов. Характерной особенностью полученных профилей является наличие экстремумов.

Концентрационные профили исследуемых СД, как правило, имеют два ярко выраженных максимума. Эти перепады концентрации легирующей примеси объясняются наличием между ними квантовой ямы (активного слоя 1пОаЫ), которая требует сложного неравномерного легирования для уменьшения механических напряжений при согласовании решёток. Оценка ширины квантовой ямы по распределению легирующей примеси в ОПЗ даёт значение, меньшее 10"6 см (100 А) [8].

Люминесцентные характеристики изучаемых светодиодов приводятся в третьей главе «Люминесцентные характеристики голубых светодиодов». Здесь же приводится описание проведенных низкотемпературных исследований голубых светодиодов на основе 1пОа1УГ/СаЫ. Полученные результаты представлены на рисунке 1. Из графиков низкотемпературных спектров видна следующая закономерность: с увеличением температуры уменьшается интегральная интенсивность излучения. Это связано с увеличением доли фотонов, рассеянных на фононах кристаллической решётки, так как при повышении температуры увеличивается амплитуда фононов.

Т=81К

-I-»-1—т-1-1 I | I—>

400 440 480 520 560 600

х, им а)

Т=127К

т—:—1—|—1—|—I—I—I—| 400 440 480 620 660 600

1,™

б)

Т=168К

Т=81,6К Т=127К Т=168

т I ' I * ! 1 1 I

400 440 480 520 860 800 .

I,»« В)

1'ис. 1. Спектры электролюминесценции образца № 5 при температуре 81,бК - (а), 127К - (6) и 168К - (в) и различных значениях тока через образец. Спектры электролюминесценции образца № 5, сгруппированные по току при различных температурах - (г)

Предложена модель токопереноса в светодиодах с квантовыми ямами для случая двух квантовых ям (КЯ) (в нашей структуре вторая яма является рабочей), переход 1У,2 - туннельный, 832 - захват на уровень 2. Оба перехода безызлучательные. Излучательный переход Л2 между квантовыми уровнями реализуется во второй КЯ, а аналогичным переходом в первой КЯ можно пренебречь (рисунок 2). Схема расчёта заселённости уровней в трёхуровневой модели без КЯ приведена в [9].

\1кя

V II КЯ

л

N

у^ч е.,

7

б.)

Рис. 2 Схема процессов переноса заряда в структуре с КЯ (а). Схема заселённости уровней (б): нормальная (61), инверсная (62).

Четвертая глава «Исследование рекомбинационных центров в голубых СД» содержит результаты исследований глубоких уровней, участвующих в рекомбинационно-туннельных процессах.

Методом термостимулированной емкости выявлено наличие трёх уровней:

Таблица 1

Рассчитанная энергия активации ГУ

СД№2 Ещ(р)> эВ СД № 7 Ещ(р), эВ

ГУ № 1 0,64+0,04 ГУ № 1 0,64+0,04

ГУ №2 0,76±0,04 ГУ №2 0,76+0,04

ГУ № 3 0,83±0,04 ГУ№3 0,82±0,04

Нестационарная спектроскопия глубоких уровней показала наличие одного уровня с энергией Е1 = 0.73 ± 0,04 эВ, что соответствует уровню №2, определённому из ТСЕ.

Вероятность туннелирования определялась по методике [10]. Величина вероятности туннелирования определяется величиной интеграла перекрытия:

ш = vexp (-2r/a) = vexp (-2N'"3/a) (1)

где г - расстояние между узлами, равное длине прыжка (это среднее расстояние между уровнями, г -N"1'3). Ток рекомбинации с учетом туннелирования имеет участок насыщения из-за ограничения пропускной способности туннельного канала (Jr ~ coN2), поэтому плотность тока можно записать в виде формулы (2) [10]:

, 2kTd(U) 2 , 2 . .

У, =--—N vexp(--т=) (2),

где

тЕ, N - концентрация глубоких центров, v - частота попыток преодоления потенциального барьера, которая равна частоте характеристического фонона.

Концентрацию ловушек, участвующих в туннельной рекомбинации, можно вычислить по току насыщения, прологарифмировав (2) и считая со(г) = co/N. Таким образом получаем уравнение (3), решение для которого находим подбором:

N-^1 (3) 2 kTes0s2v а

С - емкость, s— площадь перехода, Ut - диффузионный потенциал.

Вероятность туннелирования является функцией температуры и поля, плотности состояний и положения уровня Ферми. Определив N из (3), определяем со из (1) [11]. Результаты расчетов приведены на рисунке 3.

и, в

и, V

Рис. 3. Концентрация глубоких уровней N(4) в структуре 1пОаМ/ОаК и вероятность туннелирования носителей заряда ш(и).

Пятая глава «Влияние у-облучения на электро-физическне параметры голубых СД». На рисунке 4 представлен концентрационный профиль м = /(х):

Рис. 4. Концентрационные профили светодиода ЫЗаЫ/СаЫ для различных доз облучения.

В результате облучения наблюдается увеличение концентрации мелкой примеси (0.3 мРад) и компенсация её после увеличения дозы (0.5 мРад) [12].

Оценка энергии активации из анализа приведенной скорости туннельной рекомбинации и дифференциального показателя неидеалыюсти для разных доз облучения представлены в таблице 2.

Таблица 2

Энергия активации ГУ

Доза, мРад Е(, эВ

Метод определения

К-пр (зр/аи

0 1.45 0.22

0.3 1.46 0.43 0.23

0.5 1.44 0.45 0.23

На рисунке 5 показана зависимость яркости В = /(/) и квантового выхода т] = /(/) от тока для разных доз облучения.

Рис. 5. зависимость яркости Л = /(/) и квантового выхода Г) = /(/)оттока для разных доз

облучения

Внешний квантовый выход г| определяем по формуле Ь-ПБ

1 ~-е, , где ^Е) - спектр излучения СД, /Е - энергетическая

/•625- р{Е)/Ес1Е

Е'

зависимость функции видности, причем = 1, и Е2- минимальное и

£,

максимальное значение энергии излучаемых фотонов, измеряемые в электрон-вольтах.

Для исключения потерь измерения проводились "встык": СД располагался вплотную к приемнику излучения, то есть О = 2тг [13, 14]. Объяснение поведения г| и В от тока приведено в работе [15]. Из рисунка 5 видно, что зависимость имеет немонотонный характер и её

поведение с ростом тока схоже для облучённых образцов и необлучённого. Эффективность излучения растет и достигает максимума при токе 1-3 шА. При дозе 0.3 мРад в максимуме ц = 1 ]% при дозе 0.5 мРад т] = 9% и в образце без облучения - 8%. Таким образом, в образце, облучённом дозой 0.3 мРад, произошло увеличение эффективности излучения в 1.4 раза.

Основные результаты и выводы

1. В соответствии с поставленной целью определен основной механизм формирования тока в структурах на основе 1пОаЫ/ОаК - туннелирование с участием прыжковой проводимости при наличии 2-х плотностей состояний ¿(/г) вблизи уровня Ферми. Зависимость энергии активации тока от напряжения на структуре согласуется с характером изменения плотностей состояний вблизи уровня Ферми при росте внешнего напряжения смещения. Определена зависимость длины прыжка Я = ^Ц).

2. По вольт-емкостным характеристикам определены параметры компенсированной области InGaN/GaN гетероструктуры. Контактная разность потенциалов Ц = 1.07 В и не зависит от дозы облучения. Ширина компенсированного слоя Ь падает, а градиент концентрации растет с увеличением дозы облучения. Установлено, что при у-облучении наблюдается сдвиг концентрационного профиля к поверхности из-за уменьшения ширины компенсированного слоя Ь и сужения ширины квантовых ям.

3. На спектрах ЭЛ гетероструктуры на основе 1пОаМСаМ при Т = 81 К и I = 5-Ю"5 А наблюдается три максимума: 468 нм (Е] = 2.65 эВ), 485 нм (Е2 =

2,56 эВ), 493 нм (Е3 = 2,52 эВ). Эти пики соответствуют излучательной рекомбинации между уровнями в квантовой яме. Максимумы электролюминесценции (ЭЛ) с ростом температуры слабо сдвигаются в коротковолновую область (из-за эффекта экранирования) и уменьшаются по амплитуде (температурное гашение ЭЛ). С увеличением тока при Т = const амплитуда максимумов ЭЛ растет. Предложена модель токопереноса в светодиодах с квантовыми ямами для объяснения излучательной рекомбинации при наличии двух квантовых ям.

4. На ТСЕ проявляется 3 уровня Е, = 0.64±0.04 эВ, Е, = 0.7б±0.04эВ, Et = 0.83±0.04 эВ. Спектр DLTS позволил выявить наличие одного уровня с энергией Et = 0.73 ± 0,04 эВ, что соответствует уровню №2, определённому из ТСЕ. Анализ приведенной скорости рекомбинации Rnp также показал наличие одного глубокого уровня - Е(=1,45эВ, который существенно не меняет своей глубины в зависимости от дозы обучения. По максимумам производной дифференциального показателя наклона В АХ определены ещё 2 ГУ: 0.22-И).23 эВ и 0.43+0.45 эВ. Причем второй уровень проявляет себя только после облучения гетероструктуры. Вероятно, Et = 0.22*0.23 эВ - этот уровень связан с акцепторным состоянием Mg.

5. Зависимость КПД от тока через образец 7] = /(/) имеет немонотонный характер с максимумом в диапазоне тока 1 - 3 тА, принимая при этом значения: при дозе 0.3 мРад в максимуме tj = 11%, при дозе 0.5 мРад rj = 9% и в образце без облучения - 8%.

На зависимости В = /(/) можно выделить три участка. Участок резкого увеличения с наклоном п больше 1, что связано с преобладанием излучательного канала рекомбинации. Участок линейного роста с наклоном п порядка 1. Оба канала рекомбинации (излучательный и безызлучательный) характеризуются постоянным временем жизни. В этой области токов наблюдается максимум на зависимости т] =/(/). И третий участок - п меньше 1. Здесь участвует несколько механизмов увеличения

безызлучательной рекомбинации: возрастание падания напряжения на компенсированном слое; утечки носителей заряда из КЯ в соседние широкозонные слои GaN; замедление понижения потенциального барьера, что ограничивает инжекцию носителей в активную область. Увеличивается доля носителей заряда, способных переходить в неосновную долину InGaN. Эти носители рекомбинируют с участием фононов, что снижает эффективность излучения.

Список цитированной литературы:

[1] - Бюро иностранной научно-технической информации //Наука и жизнь. - 1997. - № 4. - С. 18.

[2] - Beard J. White Christmas for blue diodes /J. Beard //New Scientist. -1996.-Issue 2061.-P. 22.

[3] - Chang C.S., Chang S.J., Su Y.K., Lin Y.C. et al. InGaN/GaN light-emitting diodes with ITO p-contact layers prepared by RF sputtering //Semiconductor Science and Technology. - 2003. - Vol. 18. - P.21-23.

[4] - Грушко H.C., Хайрулина А .С. Параметры белых светодиодов InGaN/AlGaN/GaN: светоотдача, КПД, координаты цветности /Н.С. Грушко, А.С. Хайруллина //Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды X междунар. конференции. - Ульяновск, 2008. - С. 252.

[7] - Кудряшов В.Е., Золин К.Г., Туркин А.Н. и др. Туннельные эффекты в светодиодах на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами /В.Е. Кудряшов, К.Г. Золин, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович, А.Н. Ковалев, Ф.И. Маняхин//ФТП.- 1997-Т.31 -В.11.-С.1304-1309.

[5] - Юнович А.Э. Светодиоды на основе гетероструктур из нитрида галлия и его твердых растворов /А.Э. Юнович // Светотехника. - 1996. - № 56. - С. 2-7.

[6] - Nakamura S. TOPICAL REVIEW InGaN-based violet laser diodes /S. Nakamura//Semicond. Sci. Technol. 14 (1999) R27 R40. Printed in the UK.

[8] - Амброзевич C.A., Лакалин A.B., Солонин А.П. Вольт-емкостные исследования светодиодов на основе гетероструктуры InGaN/GaN

/С.А. Амброзевич, A.B. Лакалин, А.П. Солонин //Ученые записки УлГУ. Сер. Физическая. - 2005. - Вып. 1(17). - Ульяновск: УлГУ, 2005. - С. 54-58.

[9] - Дудкин Д.И., Пахомов Л.Н.. Основы квантовой электроники/ Д.И.Дудкин, Л.Н.Пахомов. - СПб: СПбГТУ. - 2001. - С.305.

[10] - Грушко Н.С., Дуванова Н.В., Логинова Е.А. Структуры InGaN/SiC с модулированным легированием/ Н.С. Грушко, Н.В. Дуванова, Е.А. Логинова // Ученые записки УлГУ. Сер. Физическая. - 2004. - Вып. 1(16). -Ульяновск: УлГУ, 2004. - С. 30-39.

[11] - Грушко Н.С., Лакалин A.B., Солонин А.П. Токоперенос в светодиодах на основе гетероструктуры InGaN/GaN/ Н.С. Грушко, A.B. Лакалин, А.П. Солонин // Прикладная физика. - 2008. - N5. - С.94-97.

[12] - Грушко Н.С., Солонин А.П. Концентрационный профиль светодиодов с квантовыми ямами под влиянием у-облучения/ Н.С. Грушко, А.П. Солонин //Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды X междунар. конференции. - Ульяновск: УлГУ. - 2008. - С. 23.

[13] - Грушко Н.С., Солонин А.П. Эффективность излучения голубых светодиодов на основе InGaN/GaN/ Н.С. Грушко, А.П. Солонин // Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды VIII международной конференции. - Ульяновск, 2006. - С. 206.

[14] - Грушко Н.С., Солонин А.П., Лакалин А. В. Яркость голубых светодиодов на основе GaN/ Н.С. Грушко, А.П. Солонин, A.B. Лакалин //Неорганические материалы. -Т. 44. - № 2. - 2008. - С. 181-183.

[15] - Грушко Н.С., Потанахина Л.Н. Спектры электролюминесценции и коэффициент полезного действия светодиодов на основе твердого раствора InGaN/ Н.С. Грушко, Л.Н. Потанахина //Прикладная физика. - 2007. - №6. -С.5-8.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Грушко Н.С., Солонин А.П., Лакалин A.B. Яркость голубых светодиодов на основе GaN //Н.С. Грушко, А.П. Солонин, A.B. Лакалин //Неорганические материалы. - Т.44. - №2. - 2008. - С. 181-183.

2. Грушко Н.С., Лакалип A.B., Солонин А.П. Токоперенос в светодиодах на основе гетероструктуры InGaN/GaN. /Н.С. Грушко, A.B. Лакалин, А.П. Солонин //Прикладная физика. - 2008. - N5. - С.94-97.

3. Грушко Н.С., Солонин А.П. Низкотемпературная электролюминесценция светодиодов на основе нитрида галлия/ Н.С. Грушко, А.П. Солонин //VIII всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике: Материалы докладов. 4-8 декабря 2006 года. - СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та. - 2006. - С. 106.

4. Солонин А.П. Электролюминесценция в структурах AlGaN/InGaN/GaN с квантовыми ямами/ А.П.Солонин //Сборник докладов 19-го международного симпозиума «Тонкие пленки в оптике, нанофотонике и наноэлектронике». -Харьков. - 2007.

5. Грушко Н.С., Солонин А.П. Эффективность излучения голубых светодиодов на основе InGaN/GaN /Н.С. Грушко, А.П. Солонин //Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды VIII международной конференции. - Ульяновск, 2006. - С. 206.

6. Грушко Н.С., Лакалин A.B., Солонин А.П. Анализ электролюминесценции светодиодов AIGaN/InGaN/GaN с квантовыми ямами /Н.С. Грушко, A.B. Лакалин, А.П. Солонин //Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды IX международной конференции. -Ульяновск, 2007. - С. 228.

7. Грушко Н.С., Солонин А.П. Особенности прыжковой проводимости в нитрид гзллиевых гетероструктурах /Н.С. Грушко, А.П. Солонин //Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. - Распознавание-2008: Сб. материалов VIII Междунар. конференции. - Ч. 1. - С. 119. /Ред. кол.: B.C. Титов [и др.] - Курск: КурскГТУ. - 2008. - С. 213.

8. Грушко Н.С., Солонин А.П. Концентрационный профиль светодиодов с квантовыми ямами под влиянием у-облучения /Н.С. Грушко, А.П. Солонин //Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды X междунар. конференции. - Ульяновск: УлГУ. - 2008. - С. 23.

9. Лакшин A.B., Солонин А.П. Температурные исследования электрических характеристик голубых светодиодов на основе GaN с квантовой ямой /A.B. Лакалин, А.П. Солонин //Ученые записки УлГУ /Под ред. проф. C.B. Булярского. - Сер. Физическая. - 2005. - Вып. 1(17). - Ульяновск: УлГУ, 2005. - С.59-64.

10.,Лакалин A.B., Солонин А.П. Амброзевич С.А. Вольт-емкостные исследования светодиодов на основе гетероструктуры InGaN/GaN /С.А. Амброзевич, A.B. Лакалин, А.П. Солонин //Ученые записки УлГУ /Под ред. проф. C.B. Булярского. - Сер. Физическая. - 2005. - Вып. 1(17). - Ульяновск: УлГУ, 2005.-С. 54-58.

М.Грушко Н.С., Солонин А.П. Особенности прыжковой проводимости в светодиодах на основе нитрида галлия /Н.С. Грушко, А.П. Солонин //IX Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике: Материалы докладов. 3-7 декабря

2007 г. - СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та. - 2007. - С. 109.

М.Грушко Н.С., Солонин А.П. Изменение яркости и КПД GaN светодиодов под влиянием у-облучения /Н.С. Грушко, А.П. Солонин //X Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике: Материалы докладов. 1-5 декабря

2008 г. - СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та. - 2008. - С. 120.

Подписано в печать 12.05.09. Формат 60 х 84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 54 !íS¿>

Отпечатано с оригинал-макета в Издательском центре Ульяновского государственного университета 432000, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42

Список условных обозначений

Введение.'.

Глава 1. Гетероструктуры с квантовой ямой на основе GaN.

1.1. Полупроводниковые гетероструктуры.

1.2. Кристалл с ОКЯ.

1.3 Кристалл с МКЯ.

1.4. Газо-фазная эпитаксия при низком давлении из металлорганических соединений.

1.5. Ширина запрегценной зоны в InGaN/GaN.

1.6. Спектры голубых СД.

1.7. Вольт-амперные характеристики голубых СДс ОКЯ.

1.8. Вольт-амперные характеристики голубых СД с МКЯ.

1.9. Волът-фарадные характеристики голубых СД.

1.10. Туннельная излучательная рекомбинация.

1.11. Модель туннельного тока.

1.12. Квантовый выход излучения светодиодов с квантовыми ямами.

1.13. Пути улучшения электролюлшнесцентных характеристик

СД на основе InGaN/GaN.

1.14. Деградация нитрид галлиевых светодиодов.

1.15. Электрофизические характеристики голубых СД InGaN/GaN-светодиодов при высокой плотности тока

1.16. Параметры глубоких уровней (ГУ) в кристаллах AlGaN/InGaN/GaN

1.17. Гетероструктуры с туннельно-связанными квантовыми ямами.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Электрические характеристики голубых светодиодов.

2.1. 0бразг{ы для исследований.

2.2. Вольт-амперные характеристики и CV-характеристики голубых СД.

2.3. Механизмы токопереноса в СД.

2.4. Исследование прыжковой проводимости.

2.5. Расчёт энергии активации.

2.6. Определение концентрации доноров -Nd.

2.7. ИсследованияВАХпри обратных напряжениях смещения.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Люминесцентные характеристики голубых светодиодов.

3.1. Электролюминесцентные характеристики СД.

3.2. Низкотемпературные спектральные исследования

3.3. Заполнение энергетических уровней в трехуровневой модели.

3.4. Коэффициент полезного действия (КПД) СД.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Исследование рекомбинационных центров в голубых СД.

4.1. Термостимулированная ёмкость (ТСЕ).

4.2. Нестационарная спектроскопия глубоких уровней - НСГУ (DLTS).

4.3. Концентрация глубоких уровней в структуре InGaN/GaN и вероятность туннелирования носителей заряда.

4.4. Рекомбинационная спектроскопия глубоких уровней. Туннельная рекомбинация.

4.5. Дифференциальные показатели наклона ВАХ - Д.

Выводы по главе 4.

Глава 5 Влияние у-облучения на электро-физические параметры голубых СД.

5.1. Изменение В АХголубых СД после облучения.

5.2. Трансформация концентрационного профиля мелкой примеси в СД и анализ CV-характеристик голубых СД после облучения у-излучением.

5.3. Влияние у-облучения на ГУ в структурах AlGaN/InGaN/GaN с квантовыми ямами

5.4. Анализ излгенения формы спектра электролюминесценции облученного и необлученного СД.

5.5. Зависимость яркости и КПД голубых СД в зависимости от дозы облучния.

Выводы по главе 5.

Сегодня светодиоды (СД) прочно вошли в нашу жизнь, но этому предшествовала огромная научно-исследовательская работа. Начиная с 20-х годов прошлого века, проводились исследования электролюминесценции (ЭЛ) полупроводникового перехода. Открытие получило официальное название - «свечение Лосева» в честь радиофизика О. В. Лосева (Нижегородская радиолаборатория (НРЛ)). Первые промышленные образцы светодиодов появились только в начале 60-х годов XX века. Это были фосфидо-галлиевые светодиоды красного свечения. Позже появились карбидокремниевые диоды со свечением жёлтого цвета. Затем удалось создать зелёный и оранжевый светодиоды. Только в 80-х годах был получен светодиод со свечением синего цвета. В 1996 году был изготовлен первый СД, дающий белый цвет свечения [1]. Таким образом, цветовая гамма видимого спектра была полностью «охвачена» светодиодами.

Однако работы по совершенствованию и применению нового класса твердотельных излучающих приборов продолжаются и сейчас. Ежедневно расширяется спектр применения СД. Особенно широко распространились сверхъяркие СД на основе соединений АщВу, в частности, одним из преимущественных направлений стало производство СД на основе нитрида галлия и его твердых растворов. Над решением данных задач работают крупнейшие корпорации мира: DuPont Displays, Samsung, Sony, Hewlett-Packard, IBM, Kodak, Lucent, Philips, а также менее именитые фирмы, специализирующиеся на оптических приборах: King Bright, Osrani и др.

Сегодня СД (в том числе и на основе AlGaN/InGaN/GaN) можно встретить:

1) в уличных светофорах (зеленый свет),

2) в оптических приборах автомобилей (сигналы поворота и стоп-сигналы),

3) в подсветках жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев),

4) в качестве индикаторов в различных электронных приборах и охранных системах,

5) в цветных лазерных принтерах высокого разрешения;

6) в системах связи на основе волоконно-оптических линий;

7) в производстве экономичных осветительных устройств (есть мнение, что уже к 2010 году СД вытеснят лампы накаливания);

8) в полноцветных дисплеях;

9) в много кристальных светодиодных матрицах RGB, которые позволяют управлять цветом;

10) на основе светодиодов создано устройство, которое проецирует изображение прямо на сетчатку глаза, что позволяет пациентам с частичной потерей зрения читать и исследовать виртуальные строения.

Также необходимо сказать, что существует две технологии получения белого света с помощью светодиодов. Первая - красный, зеленый и синий кристаллы в одном корпусе. Вторая - более дешевый подход - основан на включении в синий светодиод люминофора, который поглощает часть синего света и флуоресцирует в широком спектре, достигая белого цвета [2]. Это также расширяет сферу применения InGaN/GaN светодиодов.

Рынок светодиодной продукции достиг объема более 4.2 миллиарда долларов в 2006 г. и продолжает стремительно развиваться. Предполагается, что развитие энергосберегающих технологий освещения увеличит его до 9 миллиардов долларов в 2011 году (рис. 1.)[3]. ю

2001 2002 2003 20С4 3305 2006 2007 2QC8 2009 2010 2011

Рис. 1. Динамика рынка сверхъярких светодиодов

Столь широкое распространение нитридов - элементов группы Ш (A1N, GaN, InN) и их сплавов - стало возможным лишь благодаря их свойствам: материалы имеют прямую структуру зон с шириной запрещенной зоны от 0.7 эВ до 6.2 эВ при комнатной температуре [4]. Для создания СД-структур с преобладающим излучением в синем и ультрафиолетовом спектральных диапазонах обычно используются GaN и твердые растворы на его основе InxGaixN, AlxGaixN. GaN - прямозонный материал, гексагональная модификация которого имеет ширину запрещенной зоны 3.4 эВ при комнатной температуре.

В настоящее время серьезную конкуренцию СД на основе нитрида галлия и его твердых растворов составляют органические полупроводниковые устройства, которые также обладают электролюминесцентными свойствами. Органические полупроводниковые диоды могут быть сделаны на тонких сгибаемых листах, а также обладают меньшей себестоимостью. Однако по своей основной характеристике -яркости - органические СД пока проигрывают светодиодам на основе GaN.

Значение светоотдачи белых светодиодов: на основе InGaN/AlGaN/GaN на данный момент уже превышает 90 лм/Вт [5] в сравнении с лампами накаливания - 15 лм/Вт. Среднее время наработки на отказ для СД лежит в диапазоне от 105 до 10б часов - это довольно длительный период, для сравнения - в году 8 760 или 8 784 часов [6, 7].

Несмотря на такие значительные успехи науки в области применения светодиодов на основе нитрида галлия и технологии их производства, остается еще достаточное количество не решенных и не проработанных до конца вопросов. Не до конца исследованными остаются физические процессы, протекающие в таких структурах. В частности, не построена чёткая теория токопереноса, описывающая всё семейство СД на основе GaN с квантовыми ямами (КЯ). Для полного описания структуры InGaN/GaN, её особенностей и физических процессов, протекающих в ней, необходимо провести дополнительно целый ряд экспериментов. Остаются открытыми вопросы о повышении КПД и светоотдачи, о влиянии внешних воздействий на эти параметры, о совместном использовании различных светоизлучающих устройств. Необходимо постоянное совершенствование технологии производства СД с КЯ - в частности, этому могут способствовать исследования в области варьирования количества КЯ, изменения параметров КЯ и уровней в них под внешним силовым воздействием. Также перспективным, на наш взгляд, является исследование дефектов в структурах с КЯ и их влияния на работу СД. Таким образом, актуальность темы не вызывает сомнений.

Цель исследования: определить основные механизмы формирования токов в исследуемой структуре InGaN/AlGaN/GaN; зависимости КПД, яркости и светоотдачи от них, а также пути улучшения излучающих характеристик СД; исследовать глубокие центры в СД на основе InGaN/AlGaN/GaN.

Поставленная цель предполагает решение следующих задач: 1. Исследование механизмов токопереноса в структурах на основе твердого раствора InGaN с двумя КЯ. 1. Экспериментальное исследование электрических и электролюминесцентных характеристик структур на основе InGaN/GaN и параметров рекомбинационных уровней в изучаемых структурах до и после облучения у-излучением.

Научная новизна:

1. Предложена модель инверсной заселённости уровней для объяснения процессов излучательной рекомбинации. В случае наличия двух квантовых ям инверсная заселённость может осуществляться на уровне во второй квантовой яме, которая является рабочей, в ней осуществляется зона-зонная излучательная рекомбинация между квантовыми уровнями в квантовой яме.

2. В работе представлено исследование прыжковой проводимости, которое показало, что существуют две плотности состояний вблизи уровня Ферми, проявляющиеся в разных температурных диапазонах. Также выявлено, что у-облучение кардинально меняет плотность состояний - для необлучённого образца характерен рост плотности локализованных состояний начиная с напряжения g(jn) в 1.5 В, который заканчивается значительными осцилляциями g(ju) с ростом напряжения; для облучённых образцов резкий рост плотности состояний наблюдается уже с малых значений напряжения, а затем обнаруживается более стремительное падение. Причём точки максимума (U = 1.36 В для 0.3 мРад и U = 1.42 В для 0.5 мРад) на графиках g(ji)(U) для облучённых образцов представляют собой экстремумы с неопределённой производной.

3. Определены энергии залегания глубоких центров исследуемой структуры с помощью методов рекомбинационной спектроскопии и методами емкостной спектроскопии. Исследовано влияние у-облучения на данные уровни.

4. Установлено влияние у-облучения на яркостные характеристики нитрид галлиевых диодов. Эффективность излучения- растет и достигает максимума при токе 1-3 тА. При дозе 0.3 мРад в максимуме rj-11% при дозе 0.5 мРад tj = 9% ив образце без облучения 8%. Таким образом, в образце, облучённом дозой 0.3 мРад, произошло увеличение эффективности излучения в 1.4 раза.

Практическая значимость:

1. Доказано, что радиационное воздействие на структурные дефекты изменяет их концентрацию и энергию активации, что позволяет увеличивать основной технико-экономический показатель светодиодов - квантовый выход.

2. Представлено математическое описание спектра электролюминесценции как суперпозиция спектров отдельных уровней в квантовой яме. Также разработана модель инверсной заселённости уровней в системе с двумя квантовыми ямами, что позволяет описывать процессы излучательной рекомбинации в InGaN/GaN светодиодах.

3 Используемые в работе методики и комплексный анализ емкостных и вольт-амперных характеристик исследуемого диода позволяют определить ряд важных параметров структур с квантовыми ямами: контактная разность потенциалов, ширина компенсированного слоя, градиент легирующей примеси, высота потенциального барьера, профиль легирования, энергии уровней в квантовой яме.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Установлен механизм токопереноса по температурным зависимостям ВАХ - туннелирование с участием прыжковой проводимости при наличии 2-х плотностей состояний g(j.i) вблизи уровня Ферми, проявляющихся в различных температурных диапазонах. Функция термической активации тока - Еа = f(U) имеет два квазипостоянных значения с энергией 0.85 эВ и 0.3 эВ (при более высоких напряжениях Еа уменьшается и соответствует возрастанию g(j.i)). Длина прыжка R(U) с ростом U падает при увеличении и растет при уменьшении.

2. Существуют две стадии воздействия у-излучения на СД: малые дозы -происходит деактивация Mg в р-слое путем разрушения его связи с остаточным (Н) и соответствующее увеличение эффективной концентрации акцепторов; большие дозы - образование точечных дефектов типа пар Френкеля (вероятно смещение из узлов решетки атомов азота N и образование VN - доноров). На первой стадии происходит самокомпенсация (VGa - акцепторы, VN и (Vn-NcJ - однозарядные и двухзарядные доноры компенсируют основную примесь Mg).

3. Наблюдается увеличение КПД СД при малых дозах у-облучения. Увеличивается интенсивность полосы электролюминесценции (ЭЛ), что объясняется структурным упорядочением границы раздела InGaN/GaN. В результате такого упорядочения снижается концентрация безызлучательных рекомбинационных центров и, следовательно, возрастает светимость. При высоких дозах облучения интенсивность ЭЛ уменьшается, что связано с интенсивной генерацией поверхностных радиационных дефектов (межузельный Gat мигрирует к поверхности). Подбирая параметры у-излучения, можно повысить эффективность излучения СД на основе гетероструктур AlGaN/InGaN/GaN.

Апробация работы. Результаты исследования представлялись на VIII, IX и X международной конференции «Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» в 2006, 2007 и 2008 годах, г.Ульяновск; на VIII, IX и X всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике: г.Санкт-Петербург, 2006, 2007 и 2008 гг., а также на VIII Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации». - Распознавание-2008, г. Курск, 2008 г. '

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается комплексным характером исследований оптических и электрических свойств светодиодов, подтверждением результатов экспериментальных измерений теоретическими расчетами, согласованием полученных в работе результатов с данными других исследователей, использованием только поверенных приборов.

Публикации. Результаты исследований отражены в 12 работах (в том числе 2 публикации - в журналах, рекомендованных ВАК), список которых приведен в конце автореферата.

Личное участие автора. Основные теоретические положения разработаны совместно с д. ф.-м. н., профессором Н.С. Грушко. Экспериментальное исследование вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик, термостимулированной емкости, нестационарной спектроскопии глубоких уровней, спектральные исследования электролюминесценции проведены автором самостоятельно на установках кафедры Инженерной физики Ульяновского государственного университета. Собрана экспериментальная установка.и создана программа на основе трех универсальных вольтметров В7-46 и источника питания РРЕ3323. Использовался люксметр/яркометр «ТКА-ПК» кафедры Радиофизики и электроники Ульяновского государственного университета. Автором самостоятельно выполнена обработка результатов эксперимента.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Материал изложен на 121 страницах, содержит 76 рисунков, 8 таблиц, 82 наименований в списке литературы.

Выводы по главе 5

1. Выявлено влияние у-облучения на все основные электрофизические характеристики:голубых светодиодов KPT -1608PBC(SMD): ВАХ, плотность локализованных состояний вблизи уровня Ферми, ВФХ, сцекгры ЭЛ, концентрационный профиль мелкой: примеси, КПД.

Малые дозы ионизирующего у-излучения инициируют уменьшение числа дефектов- и упорядочение структуры. Значительная доля? дефектов компенсируется на границах раздела, слоев гетероструктуры - следствие локального разогрева [80, 81]. .

2. у-облучение изменяет концентрационный профиль, сдвигая: его к поверхности, что связано с изменением,величины компенсированного слоя, а также с: процессами дефектообразования и их компенсации под влиянием у-излучения. Изменяется ширина КЯ:

3. Смещение максимума ЭЛ говорит об увеличении доли содержания In в активном слое СД KPT - 1608PBC(SMD) под воздействием у-квантов.

4. Наблюдается увеличение КПД СД при малых; дозах у-облучения. Увеличивается интенсивность полосы; электролюминесценции (ЭЛ), что объясняется структурным упорядочением границы раздела In(3aN/GaN (аналогично [82] для структур nc Si/SiCb). В результате такого упорядочения снижается концентрация безызлучательных рекомбинационных центров и, следовательно, возрастает светимость. При высоких дозах облучения интенсивность ЭЛ уменьшается, что связано с интенсивной генерацией поверхностных радиационных дефектов (межузельный Gai мигрирует к поверхности).

5. Подбирая параметры у-излучения, можно повысить эффективность излучения СД на основе гетероструктур AlGaN/InGaN/GaN, как показано в этой главе, а также, согласно [35], тестовое у-излучение позволяет выявлять потенциально ненадёжные приборы: на основе нитрид галлиевых гетероструктур по деградации параметра мощность излучения.

Заключение

1. Определен основной механизм формирования тока в структурах на основе InGaN/GaN - туннелирование с участием прыжковой проводимости при наличии 2-х плотностей состояний g(|x) вблизи' уровня Ферми. Зависимость энергии активации тока от напряжения на структуре согласуется с характером изменения плотностей состояний вблизи уровня Ферми при росте внешнего напряжения смещения. Определена зависимость длины прыжка R - f(U).

2. По вольт-емкостным характеристикам определены параметры компенсированной области InGaN/GaN гетеро структуры. Контактная разность потенциалов Uk = 1.07 В и не зависит от дозы облучения. Ширина компенсированного слоя L падает, а градиент концентрации растет с увеличением дозы облучения. Установлено, что при у-облучении наблюдается сдвиг концентрационного профиля к поверхности из-за уменьшения ширины компенсированного слоя L и сужения ширины квантовых ям.

3. На спектрах ЭЛ гетероструктуры на основе InGaN/GaN при Т = 81 К и I = 5-10"5 А наблюдается три,максимума: 468 нм (Ei = 2.65 эВ), 485 нм (Е2 = 2,56 эВ), 493 нм (Ез = 2,52 эВ). Эти пики соответствуют излучательной рекомбинации между уровнями в квантовой яме. Максимумы электролюминесценции (ЭЛ) с ростом температуры слабо сдвигаются в коротковолновую область (из-за эффекта экранирования) и уменьшаются по амплитуде (температурное гашение ЭЛ). С увеличением тока при Т = const амплитуда максимумов ЭЛ растет.

4. На ТСЕ проявляется 3 уровня Et = 0.64+0.04 эВ; Et = 0.76±0.04эВ; Et = 0.83±0.04 эВ. Спектр DLTS позволил выявить наличие одного уровня с энергией Et = 0.73 ± 0,04 эВ, что соответствует уровню №2, определённому из ТСЕ.

Анализ приведенной скорости рекомбинации Rnp также показал наличие одного глубокого уровня - Et=l,45 3B, который существенно не меняет

110 своей глубины в зависимости от дозы обучения. По максимумам производной дифференциального показателя наклона ВАХ определены ещё 2 ГУ: 0.22-г0.23 эВ и 0.43-^-0.45 эВ. Причем второй уровень проявляет себя только после облучения гетероструктуры. Вероятно, Et = 0.22-^0.23 эВ - этот уровень связан с акцепторным состоянием Mg.

5. Зависимость КПД от тока через образец 77 = /(/) имеет немонотонный характер с максимумом в диапазоне тока 1-3 lnA, принимая при этом значения: при дозе 0.3 мРад в максимуме 77 = 11%, при дозе 0.5 мРад 77 = 9% и в образце без облучения- 8%.

На зависимости В = /(/) можно выделить три участка. Участок резкого увеличения с наклоном п больше 1, что связано с преобладанием излучательного канала рекомбинации. Участок линейного роста с наклоном п порядка 1. Оба канала рекомбинации (излучательный и безызлучательный) характеризуются постоянным временем жизни. В этой области токов наблюдается максимум на зависимости 77 = /(/). И третий участок — п меньше 1. Здесь участвует несколько механизмов увеличения безызлучательной рекомбинации: возрастание падения напряжения на компенсированном слое; утечки носителей заряда из КЯ- в соседние широкозонные слои GaN; замедление понижения потенциального барьера, что ограничивает инжекцию носителей в активную область. Увеличивается доля носителей заряда, способных переходить в неосновную долину InGaN. Эти носители рекомбинируют с участием фононов, что снижает эффективность излучения.

1. Бюро иностранной научно-технической информации // Наука и жизнь. - 1997.-№4.-С. 18.

2. Jonathan Beard. White Christinas for blue diodes // New Scientist. 1996. -Issue 2061.-P. 22.

3. Сверхъяркие светодиоды укрепляют свои позиции на сайте: Электронный ресурс, 2007-04-14. // http://www.ledz.org/modules.php7namе= News&file=view&newsid=31/

4. Юнович, А. Э. Светодиоды на основе гетероструктур из нитрида галлия и его твердых растворов / А. Э. Юнович // Светотехника. 1996. -№5-6.-С. 2-7.

5. Nakamura, S. TOPICAL REVIEW InGaN-based violet laser diodes / S. Nakamura // Semicond. Sci. Technol. 14 (1999) R27-R40. Printed in the UK.

6. Либенсон, M. H. Физика. Фундаментальные исследования в области информационных и коммуникационных технологий / М. Н. Либенсон // Соросовский образовательный журнал. 2001. - Т. 7, № 9. - С. 75-82.

7. Моисеев, К. Д. Разъединённые гетероструктуры II типа InAs/Galn^nAso^Sb с резкой планарной границей раздела / К. Д. Моисеев, А. А. Ситникова, Н. Н. Фолеев и др. // Физика и техника полупроводников. -2000.-Т. 34.-Вып. 12.-С. 1438-1442.

8. Золина, К. Г. Спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе многослойных гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN сквантовыми ямами / К. Г. Золина, В. Е. Кудряшов, А. Н. Туркин и др. // ФТП. 1997. - Т. 31. -Вып. 9. - С. 1055-1061.

9. Абрамов, В. С. Белые светодиоды на основе GaN гетероструктур с люминофорным покрытием / B.C. Абрамов, Д. Р. Агафонов, А. Э. Юнович // Тезисы докладов между нар. конф. «Оптика, оптоэлектроника и технология». Ульяновск, 2001. - С. 28.

10. Гетероструктуры для сверхвысокочастотных биполярных транзисторов, полученные методом МЛЭ: Базы данных технологий // http://sciteclibrarv.ru/ms/catalog/pages/2335.html

11. Dalfors, J. Photoluminescence measurements on GaN/AlGaN modulation doped quantum wells / J. Dalfors, J. P. Bergman, P. O. Holtz et al. // MRS Int. J. of Nitride Semicond. Res. 1999. - Vol. 7. - Ait. 7.

12. Кудряшов, В. E. Люминесцентные и электрические свойства светодиодов InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами / В. Е. Кудряшов, А. Н. Туркин, А. Э. Юнович и др. // ФТП. 1999. - Т. 33. -Вып. 4.-С. 445-449.

13. Allegre, J. Time-resolved photoluminescence studies of InGaN/GaN multiple quantum wells / J. Allegre, P. Lefebvre, S. Juillaguet et al. // MRS Int. J. of Nitride Semicond. Res. 1997. - Vol. 2. - Art. 34.

14. Park, Y. Characteristic of InGaN/GaN Laser Diode Grown by a Multi-Wafer MOCVD System / Y. Park, B. J. Kim, J. W. Lee et al. // MRS Int. J. of Nitride Semicond. Res. 1999. - Vol. 4. - Art. 1. - P. 1-2.

15. Sohmer, A. GalnN/GaN-Heterostructures and Quantum Wells Grown by Metalorganic Vapor-Phase Epitaxy / A. Sohmer; J. Off, H. Bolay et al. // MRS Int. J. of Nitride Semicond. Res. 1997. - Vol. 2. - Ait. 14.

16. Talalaev, R. A. Modeling of InGaN MOVPE in AIX 200 Reactor and AIX 2000 HT Planetary Reactor / R. A. Talalaev, E. V. Yakovlev, S. Yu. Karpov et al. //MRS Int. J. of Nitride Semicond. Res. 1999. - Vol. 4. - Art. 5.

17. Monemar, B. Radiative recombination in In 0.15 Ga 0.85 N/GaN multiple quantum well structures / B. Monemar, J. P. Bergman, J. Dalfors et al. // MRS Int. J. of Nitride Semicond. Res. 1999. - Vol. 4. - Art. 16.

18. Wetzel, Ch. On the Bandstructure in GalnN/GaN Heterostructures5

19. Strain, Band Gap and Piezoelectric Effect / Ch. Wetzel, N. Sliugo, T. Tetsuya et al. // MRS Int. J. of Nitride Semicond. Res. 1999. - Vol. 4. - Art. 1. - P. 1-2.

20. Кудряшов, В. E. Туннельные эффекты в светодиодах на основе гетерострукгур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами / В. Е. Кудряшов, К. Г. Золин, А. Н. Туркин и др. // ФТП. 1997. - Т. 31. - Вып. 11. - С. 13041309.

21. Ковалев, А. Н. Изменения люминесцентных электрических свойств светодиодов из гетерострукгур InGaN/AlGaN/GaN при длительной работе / А. Н. Ковалев, Ф. И. Маняхин, В. Е. Кудряшов и др. // ФТП. 1999 - Т. 33. -Вып. 2.-С. 224-231.

22. Бонч-Бруевич, В. Л. Физика полупроводников / В. Л. Бонч-Бруевич, С. Г. Калашников. М.: Наука, 1990.

23. Юнович, А. Э. Спектры излучения гетерострукгур с квантовыми ямами типа InGaN/AlGaN/GaN: модель двумерной комбинированной плотности состояний / А. Э. Юнович, М. Л. Батгутдинов // ФТП. 2008. -Т. 42.-Вып. 4.-С. 438-446.

24. Берман, Л. С. Ёмкостные методы исследования полупроводников / Л. С. Берман. Л.: Наука, 1972. - 104 е.: ил.

25. Юнович, А. Э. / А. Э. Юнович, А. Б. Ормонт // ЖЭТФ. 1966. - Т. 51. -Вып. 5(11).-С. 1292-1305.

26. Кудряшов, В. Е. Спектры и квантовый выход излучения светодиодов с квантовыми ямами на основе гетероструктур из GaN зависимость от тока и напряжения / В. Е. Кудряшов, С. С. Мамакин, А. Н. Туркин и др. // ФТП.2001.-Т. 35. -Вып. 7.-С. 861-868.

27. Бочкарева, Н. И. Квантовая эффективность и формирование линии излучения в светодиодных структурах с квантовыми ямами InGaN/GaN / Н. И. Бочкарева, Д. В. Тархин, Ю. Т. Ребане и др. // ФТП. 2007. - Т. 41. -Вып. 1.-С. 88-91.

28. Mukai, Т. Current and temperature dependence of electroluminescence of InGaN-based UV/blue/green light-emitting diodes / T. Mukai, M. Yamada, S. Nakamura // Jpn. J. Appl. Phys. 1999. - V. 38. - L. 3976-3981.

29. Бочкарева, H. И. Неоднородность инжекции носителей заряда и деградация голубых светодиодов / Н. И. Бочкарева, А. А. Ефремов, Ю. Т. Ребане и др. // ФТП. 2006. - Т. 40. - Вып. 1. - С. 122-127.

30. Перевозчиков, М. В. Применение тестового гамма-облучения для отбраковки потенциально ненадёжных гетероэпитаксиальных структур

31. AlGaAs/GaAs / M. В. Перевозчиков, Е. А. Ладыгин, П.'Б. Лагов // Материалы электронной техники. 2007. - № 3. - С. 42-45.

32. Бочкарева, Н. И. Оптические свойства голубых светодиодов в системе InGaN/GaN при высокой плотности тока / Н. И. Бочкарева, Р.И.Горбунов, А.В. Клочков и др. // ФТП. 2008. - Т. 42. - Вып. 11. -С. 1384-1390.

33. Соболев, М. М. Глубокий уровень, образующийся в слоях GaN при облучении протонами / М. М. Соболев, Н. А. Соболев, А. С. Усиков и др. // ФТП.-2002.-Т. 36.-Вып. 12.-С. 1437-1439.

34. Кузнецов, Н. И. Вольт-амперные характеристики GaN и AlGaN p-i-n-диодов / Н. И. Кузнецов, К. G. Irvine // ФТП. 1998. - Т. 32. - Вып. 3. -С. 369-372.

35. Антонова, И. В. Глубокие уровни и электронный транспорт в гетероструктурах AlGaN/GaN / И.В.Антонова, В.И.Поляков, А. И. Руковишников и др:. // ФТП. 2008. - Т. 42. - Вып. 1:- С. 53-59.

36. Алешкин, В. Я. Инверсия электронной населенности' подзон размерного квантования при* продольном транспорте в туннельно-связанных квантовых ямах / В. Я. Алешкин, А. А. Дубинов // Физика и техника полупроводников. 2002. - Т. 36. - Вып. 6. - С. 724-729.

37. Трифонов, О. А. Разработка автоматизированной установки для измерения вольт-амперных характеристик / О. А. Трифонов // Учёные записки УлГУ. Сер. Физическая / под ред. проф. С. В. Булярского. -Вып. 1(16). Ульяновск: УлГУ, 2004'. - С. 79-80.

38. Лакалин, А. В. Температурные исследования электрических характеристик голубых светодиодов на основе GaN с квантовой ямой /

39. А. В. Лакалин, А. П. Солонин // Ученые записки УлГУ. Сер. Физическая / под ред. проф. С. В. Булярского. Вып. 1(17). - Ульяновск: УлГУ, 2005. -С. 59-64.

40. Амброзевич, А. С. Релаксационный спектрометр глубоких центров / А. С. Амброзевич, С. В. Булярский, И. В. Мальцев // Учёные записки УлГУ. Сер. Физическая / под ред. проф. С. В. Булярского. Вып. 1(8). - Ульяновск: УлГУ, 2000. - С. 35-41.

41. Каретникова, И. Р. О точности восстановления профиля легирования полупроводников на основе вольт-фарадных измерений в процессе электрохимического травления / И. Р. Каретникова, Н. М. Нефедов, В. И. Шашкин // ФТП. 2001. - Т. 35. - Вып. 7. - С. 801-807.

42. Грушко, Н. С. Токоперенос в светодиодах на основе гетероструктуры InGaN/GaN / Н. С. Грушко, А. В. Лакалин, А. П. Солонин // Прикладная физика. 2008. - № 5. - С. 94-97.

43. Петров, В. А. Управление электрическим полем эффектами пространственной повторяемости и мультипликации электронных волн в полупроводниковых двумерных наноструктурах / В. А. Петров, А. В. Никитин"// ФТП. 2006. - Т. 40. - Вып. 8. - С. 977-985.

44. Сардарин, Р. М. Релаксорные свойства кристаллов TlInS2<s> / Р. М. Сардарин, О. А. Самедов, А. Н. Наджафов и др. // Физика и астрономия АН Азербайджана. 2005. - № 2. - С. 70-74.

45. Булярский, С. В. Генерационно-рекомбинационные процессы в активных элементах / С. В. Булярский, Н. С. Грушко. М.: Изд-во МГУ, 1995.

46. Булярский, С. В. Физические основы диагностики полупроводников: учебно-методическое пособие / С. В. Булярский, Н. С. Грушко, А. И. Сомов. -Ульяновск, 1998.-92 с.

47. Грушко, Н. С. Анализ электролюминесценции светодиодов AlGaN/InGaN/GaN с квантовыми ямами / Н. С. Грушко, А. В. Лакалин,118

48. А П. Солонин // Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы:, труды IX международной конференции. Ульяновск, 2007. - С. 228.

49. Булярский, С. В. Модель голубой люминесценции в структурах на основе GaN\ / С. В. Булярский, Н. С. Грушко, В. В. Типикин // Оптика, оптоэлектроника и технологии: труды международной конференции: Ульяновск: УлГУ. 2001. С. 17.

50. Питер, Ю. Основы физики полупроводников / Ю. Питер, Мануэль Кардона. М: Физмат, 2002. - 560 с.

51. Грушко, Н. С. Электролюминесценция в структурах AlGaN^GaN/GaN с квантовыми ямами / Н.С.Грушко, А.В.Лакалин, А.П.Солонин // Сборник докладов 19-го международного симпозиума «Тонкие пленки в оптике, нанофотонике и наноэлекгронике». Харьков, 2007.

52. Пихтин, А. Н. Оптическая и квантовая электроника,/ А. Н. Пихтин. -М.: Высшая школа, 2001. С. 571. ; . .,:.■ ■

53. Дудкин, Д. И. Основы квантовой электроники / Д. И. Дудкин, JI. Н. Пахомов. СПб.: СПбГТУ, 2001. - С. 305. . '•" ,,

54. Грушко, Н. С. Эффективность излучения голубых светодиодов на основе InGaN/GaN / Н. С. Грушко, А. П. Солонин // Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: труды VIII международной конференции. -Ульяновск, 2006. С. 206.

55. Грушко, Н. С. Яркость голубых светодиодов на основе GaN / Н. С. Грушко, А. П. Солонин., А. В. Лакалин // Неорганические материалы. -- 2008. Т. 44, № 2. - С. 181-183. ,.

56. Булярский, С. В. Определение параметров глубоких рекомбинационных центров с помощью модифицированного метода термостимулированной ёмкости / С. В: Булярский, С. И. Радауцан // ФТП. -1981.-Т. 15.-С. 1443-1446.

57. Берман, Л. С. Ёмкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках / Л. С. Берман, А. А. Лебедев. Л.: Наука, 1981. - 176 с.

58. Иродов И. Е. Задачи по общей физике / И. Е. Иродов. М.: Наука, 1979.-369 е.: ил.'

59. Грушко, Н. С. Структуры InGaN/SiC с модулированным легированием / Н. С. Грушко, Н. В. Дуванова, Е. А. Логинова- // Учёные записки УлГУ. Сер. Физическая / под ред. проф. С. В. Булярского. -Вып. 1(16). Ульяновск: УлГУ, 2004. - С. 30-39.

60. Булярский, С. В: Рекомбинационная спектроскопия глубоких уровней в GaP-светодиодах / С. В: Булярский, М. О. Воробьев, Н. С. Грушко, А. В. Лакалин // ФТП. 1999. - Т. 33. -Вып. 6. - С. 723-726.

61. Булярский, С. В. Туннельная^ рекомбинация в полупроводниковых структурах с наноразупорядочением / С. В. Булярский, Ю. В. Рудь, Л. Н. Вострицова и др.}// ФТП. 2009: - Т. 43. - Вып. 4. - С. 460-466.

62. Булярский, С. В. Инновационные методы диагностики наноэлектронных элементов: учебно-методический комплекс / С.' В. Булярский. Ульяновск: УлГУ, 2006. - 94 с.

63. Грушко, Н. С. Концентрационный профиль светодиодов с квантовыми ямами под влиянием у-облучения / Н. С. Грушко, А. П. Солонин // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: труды X междунар. конференции. Ульяновск: УлГУ, 2008. - С. 23.

64. Грушко, Н. С. Вольт-фарадные характеристики структур на основе твердого раствора InGaN / Н. С. Грушко,~ Л. Н. Потанахина // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. - Т. 73, № 2. - С. 45-50.

65. Ковалев, А. Н. Эффективность светодиодов на основе AlGaN/TnGaN /GaN гетероструктур / А. Н. Ковалев, Ф. И. Маняхин // Известия Вузов. МЭТ. 1998.-№ 1.-С. 59-65.

66. Грузинцев, А. Н. Элементарные полосы голубого свечения нелегированных пленок нитрида галлия / А. Н. Грузинцев, А. Н. Редысин,

67. B. И. Таций и др. // ФТП. 2004. - Т. 38, № 9. - С. 1039-1042.

68. Эльмуратова, Д. Б. Усиление электролюминесценции кристаллов ZnSe (Те, О) после у-облучения / Д. Б. Эльмуратова, Э. М. Ибрагимова // ФТП.-2007.-Т. 41.-Вып. 10.-С. 1153-1157.

69. Арутюнов, Н. Ю. Исследование комплексов вакансионного типа в GaN и A1N методом аннигиляции позитронов / Н. Ю. Арутюнов, А. В. Михайлин, В.Ю.Давидов и др. // ФТП. 2002.- Т. 36, № 10.1. C. 1186-1190.

70. Группсо, Н. С. Спектры электролюминесценции и коэффициент полезного действия светодиодов на основе твердого раствора InGaN / Н. С. Грушко, JI. Н. Потанахина // Прикладная физика. 2007. - № 6. - С. 5-8.

71. Чернов, И. П. Изменения структуры сплава ВК при воздействии малых доз у-излучения / И. П. Чернов, Ю. А. Тимошников, А. П. Мамонтов и др. // Атомная энергия. Т. 57. - Вып. 1. - Июль 1984. - С. 58-59. '

72. Чернов, И. П. Аномальное воздействие малых доз ионизирующего излучения на металлы и сплавы / И. П. Чернов, А. П. Мамонтов, А. А. Ботаки и др. // Атомная энергия. Т. 57. - Вып. 1. - Июль 1984. - С. 56-58.

73. Лисовский, И. П. Усиление фотолюминесценции структур с нанокристаллическим кремнием, стимулированное низкодозовым у-облучением / И. П. Лисовский, И. 3. Индутний, М. В. Муравская и др. // ФТП. 2008. - Т. 42, № 5. - С. 591-594.