Исследование процессов генерации и вывода света в светодиодах на основе гетероструктур AllnGaN тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

ООО««-

Павлючеико Алексей Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГЕНЕРАЦИИ И ВЫВОДА СВЕТА В СВЕТОДИОДАХ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУ Р АИпв.^

Специальность:

01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2011

005009394

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, с.н.с.

Гуревич С.А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, проф.

Воробьёв Л.Е.

СПбГПУ

доктор физико-математических наук, с.н.с.

Лебедев А.А.

ФТИ им. А.Ф. Иоффе Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», Санкт-Петербург

Защита состоится " 16 " февраля 2012г. в _П_ часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д002.205.02 при Учреждении Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.26, ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан "13" января 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В последние годы достигнут значительный прогресс в технологии эпнтаксиального выращивания гетероструктур АНпОаМ. Это привело к созданию эффективных светодиодов, работающих в видимой, синей и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Такие светодиоды находят всё более широкое применение в системах индикации, подсветки, навигации и т.д. Однако, наиболее важная область применения - создание на основе синих светодиодов АЮа1пЫ источников белого света, способных составить конкуренцию традиционным лампам накаливания, флуоресцентным и галогеновым лампам. Прогресс в данной области связан с разработкой эффективных мощных светодиодов, работающих при высоких плотностях токов накачки. Однако, на сегодняшний день эффективность мощных светодиодов на основе AlInGaN ограничена падением внутреннего квантового выхода электролюминесценции с ростом плотности тока накачки и низкой эффективностью вывода света из светодиодных кристаллов.

В гетероструктурах AllnGaN падение внутреннего квантового выхода с током приводит к уменьшению мощности излучения светодиодов, что особенно заметно при плотностях тока накачки в диапазоне 50 - 100 А/см". Таким образом, актуальной является задача исследования процессов генерации света в гетероструктурах АИпваМ и выявление причин падения внутреннего квантового выхода, препятствующего дальнейшему увеличению мощности излучения.

В светодиодах на основе гетероструктур ЛПпОаЫ, выращиваемых, как правило, на подложках из сапфира, эффективность вывода излучения ограничена эффектом полного внутреннего отражения генерируемого света на границах полупроводника с воздухом и с подложкой и поглощением излучения в отражающих или полупрозрачных контактах. Сильнее всего эти ограничения проявляются в кристаллах светодиодов АИпОаЫ большой

мощности и, соответственно, большой площади, что ставит решение проблемы вывода излучения в ряд наиболее актуальных задач. Повышение эффективности вывода генерируемого излучения может достигаться путём создания отражающих контактов и формирования оптических неоднородностей в структуре прибора, в частности, рассеивающего свет микрорельефа на одной из поверхностей эпитаксиальиой гетероструктуры.

В целом, актуальными являются задачи разработки и оптимизации конструкций и технологии изготовления светодиодных гетероструктур АЦпСаЫ, а также светодиодных кристаллов на их основе, направленные на достижение высоких значений эффективности и мощности излучения светодиодов.

Цель работы

Исследование процессов генерации и вывода света в светодиодных гетероструктурах АПпСаЫ, повышение внутренней и внешней квантовой эффективности светодиодов (спектральный диапазон 430-470 им) при больших плотностях токов накачки (до 100 А/см2). Для достижения поставленной цели потребовалось решить ряд задач:

- Выявить причины падения внутренней квантовой эффективности излучения в светодиодных гетероструктурах АПпОаЫ и предложить пути повышения квантовой эффективности при больших плотностях токов накачки.

- Разработать технологию формирования оптических неодиородностей в структуре светодиодного кристалла АПпСаМ, обеспечивающих эффективное рассеяние генерируемого света и увеличение эффективности вывода излучения из светодиодного кристалла.

- Разработать методы формирования низкоомных прозрачных и отражающих контактов к слою р-СпСЫ, позволяющие снизить оптические потери при выводе излучения из кристалла.

Научная новизна работы состоит в следующем

- Впервые предложено использование короткопериодпых сверхрешёток СаЫ/1пхСа|.хЫ с тунпелыю-связаннымп квантовыми ямами в активной области светодиодной гетероструктуры АИпСаЫ для снижения темпа безызлучательной оже-рекомбинации, что позволило уменьшить падение внутренней квантовой эффективности с ростом плотности тока накачки.

- Впервые показано, что в результате подавления эффекта Шгарка в светодиодных гетероструктурах АПпОаЫ с короткопериодными сверхрешётками в активной области спектральное положение максимума излучения слабо зависит от плотности тока накачки.

- Впервые экспериментально продемонстрировано, что наличие пористого слоя на границе СаЫ-сапфир приводит к существенному повышению внешней квантовой эффективности светодиодного кристалла на основе гетероструктуры АНпОаК

- Показано, что использование слоя оксида индия-олова (1ТО) в составе низкоомных прозрачного и высокотражающего р-контактов позволяет существенно уменьшить оптические потери при выводе излучения из светодиодного кристалла.

Практическая ценность работы

- Разработана технология выращивания методом металлорганической газофазной эпитаксин гетероструктур АНпОаЫ с короткопериодной сверхрешёткой в активной области, позволяющая увеличить внутренний квантовый выход и мощность излучения светодиодов при высоких плотностях токов накачки, а также повысить стабильность спектральных характеристик излучения.

- Разработан способ формирования рассеивающего пористого слоя на границе СаЫ-сапфир в процессе выращивания светодиодной гетероструктуры AlInGaN

методом металлорганической газофазной эпитаксии, применение которого позволяет существенно увеличить эффективность вывода света из светодиодного кристалла.

- Разработана технология получения низкоомных прозрачного и высокоогражающего контактов к р-СаЫ, что позволяет повысить эффективность вывода света из светодиодного кристалла.

Разработанные технологии и способы успешно применяются в условиях серийного производства синих и белых светодиодов на основе гетероструктур АЮа!пЫ в ЗАО «ЭПИЦЕНТР» и ЗАО «ИФ «ТЕТИС» (г. Санкт-Петербург).

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Применение короткопериодных сверхрешёток СаЬ'ЛгцСа,^ с туннельно связанными квантовыми ямами в активной области светодиодной гетероструктуры АПпОаЫ позволяет в 2.5 раза уменьшить величину падения квантовой эффективности при плотности тока 100 А/см2.

2. Применение короткопериодных сверхрешёток СаЫЛп.Са,.^ с туннельно связанными квантовыми ямами в активной области светодиодной гетероструктуры АИпОаЫ приводит к стабилизации спектрального положения максимума полосы излучения в широком диапазоне плотностей токов накачки.

3. Увеличение толщины низкотемпературного буферного слоя ОаЫ и длительности последующего высокотемпературного отжига приводит к формированию на границе ОаМ-сапфир пор толщиной порядка 100 им и размерами 300-1000 нм в плоскости слоя. Наличие таких пор обеспечивает рассеяние генерируемого излучения, что приводит к повышению эффективности вывода света из светодиодного кристалла на 20%.

4. Применение прозрачных р-контактов на основе плёнок (ТО для светодиодных кристаллов мезапланарной конструкции обеспечивает увеличение внешнего квантового выхода в 2.5 раза по сравнению с кристаллами с полупрозрачными металлическими контактами.

5. Применение вьгсокоотражающнх р-контактов на основе плёнок ITO/Ag в светодиодных кристаллах мезапланарной конструкции приводит к увеличению внешней квантовой эффективности на 20% по сравнению с кристаллами с р-контактом на основе плёнок Ni/Ag

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на IX Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (СПб, 2007); «Международной зимней школе по физике полупроводников» (Зеленогорск, 2008); 5-й, 6-и, 7-и, 8-й Всероссийских конференциях «Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы» (М., 2007, 2010; СПб, 2008, 2011), международных конференциях 8,h и 9,h International Conferences on Nitride Semiconductors (Jeju Island, Korea 2009; SECC, Glasgow 2011), международной конференции 3rd International Symposium on Growth of III-Nitrides (Montpellier, 2010), международной конференции International Workshop on Nitrides (Florida,USA, 2010)

Публикации

По результатам исследований, вошедших в диссертационную работу, опубликовано 17 научных работ, список которых приведён в конце автореферата.

Личный вклад автора заключается в выращивании светодиодных гетеросгруктур методом металлорганической газофазной эпитаксии, проведении измерений, обсуждении результатов, подготовке статей к публикации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитированной литературы. Диссертация содержит 103 страницы текста, включая 47 рисунков и 4 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 82 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель диссертации, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена оптимизации активной области светодиодных гетероструктур ЛПпОаМ с целыо увеличения внутреннего квантового выхода электролюминесценции при высоких плотностях токов накачки. Вначале рассматриваются основные механизмы падения эффективности с ростом плотности тока накачки, такие как перегрев активной области, наличие локализованных состояний в активной области, снижение коэффициента инжекции и конкуренция процессов излучательной рекомбинации и безызлучательиой оже-рекомбинации. Далее рассматривается стандартная светодиодная гетероструктура с несколькими квантовыми ямами (пСаК1 (~3 нм) в активной области, разделёнными толстыми барьерами (-10 им). На основе одномерной численной модели, позволяющей проводить анализ инжекции и транспорта носителей в гетеросгруктуре, показано, что в стандартных структурах падение эффективности может быть объяснено конкуренцией процессов излучательной и оже-рекомбинации. Численная модель реализована в программном продукте Б^ЕЫБе производства ООО Труппа СТР" - ООО "Софт-Импакт", (ц'уулу.8;г-яоГ1.сот/пгоск1с18/Я1ти1Л;[)). Исследовано влияние числа квантовых ям в активной области стандартной гетероструктуры на падение внутреннего квантового выхода с током накачки. Показано, что увеличение числа квантовых ям в активной области не приводит к снижению концентрации носителей, поскольку эффективная инжекцня носителей происходит только в ближайшую к р-п-переходу квантовую яму. По

результатам расчётов в качестве решения данной проблемы предложено использование короткопериодной сверхрешётки (КПСР) = GaN/InxGa,.4N с туннельно прозрачными барьерами (толщина 2-3 нм) для обеспечения однородного заполнения квантовых ям и и снижения концентрации носителей в активной области. Приведены результаты моделирования гетероструктур с различными параметрами активной области: число и ширина квантовых ям, толщина барьеров.

В третьей части главы приведены результаты экспериментов по выращиванию светодиодных гетероструктур и созданию светодиодных кристаллов и светодиодов на их основе. Показано, что применение КПСР в

активной области светодиодной гетероструктуры позволяет снизить падение внешнего квантового выхода таких светодиодов по сравнению со светодиодами на основе стандартной гетероструктуры (рис. Г). Результаты исследования спектральных

характеристик светодиодов с КПСР в активной области показывают высокую стабильность спектрального положения полосы излучения при изменении тока накачки в широком диапазоне. Для изготовленных на основе гетероструктур с КПСР белых светодиодов с активной площадью 1 мм" получены значения светового потока 75 лм при токе 350 мА. Полученные характеристики белых светодиодов находятся на уровне лучших достижений ведущих производителей, таких как Cree, SemiLED, Lumileds.

Вторая глава посвящена разработке технологии создания пористых 1 рассеивающих слоев на границе GaN-сапфир. В первой части главы

J, Нет2

о 20 40 60 80 100

I, тА

I

Рис. I. Нормализованная зависимость внешней квантовой эффективности от плотности тока накачки для стандартных светодиодных гетероструктур (штриховая линия) и гетероструктур с короткопериодной сверхрешёткой в активной области (сплошная линия)

рассмотрены основные факторы, ограничивающие эффективность вывода света из светодиодного кристалла и описанные в литературе способы увеличения коэффициента вывода света. Большая разница показателей преломления на границах гетероструктуры с подложкой/воздухом приводит к тому, что значительная доля генерируемого излучения оказывается запертой в плоскопараллельном волноводе, образованном границами гетероструктуры. Рассматриваются различные способы создания рассеивающих свет структур на обеих границах эпитаксиальной гетероструктуры. Наиболее эффективными из них являются использование профилированных подложек сапфира, лазерное отделение сапфировой подложки с последующим растравливанием микрорельефа на п-поверхности гетероструктуры. Однако, все упоминаемые в литературе методы создания рассеивающих поверхностей значительно усложняют процесс производства светодиодных кристаллов на до- или постростовой стадии. Предлагаемый в данной работе метод создания рассеивающей свет структуры на границе ОаЫ-сапфир не предполагает введения дополнительных операций в технологию производства кристалла, а является модификацией стандартного ростового процесса.

Во второй части главы рассматривается методика выращивания слоев

иа сапфировой подложке с применением низкотемпературного буферного слоя. Данная методика была предложена Акасаки и с некоторыми модификациями является стандартным способом выращивания низкодефектных эпитаксиальных слоев GaN на сапфировой подожке. Основные стадии стандартного процесса включают: нанесение аморфного слоя СаЫ при температуре ~530°С, отжиг при температуре ~1100°С, приводящий к формированию кристаллических зародышей вюрцитной фазы, разращивание зародышей и плапаризация поверхности.

Предлагаемая модификация ростового процесса заключается в увеличении толщины низкотемпературного буферного слоя ваИ, времени последующего отжига и разращивания зародышей. Экспериментально исследованы различные режимы нанесения и последующего отжига

низкотемпературного буферного слоя. Показано, что в результате увеличения толщины буферного слоя и длительности отжига на границе GaN-сапфир образуются поры толщиной порядка 100 нм и размерами 300-1000 им в плоскости слоя (рис 2.).

В качестве экспресс метода in situ контроля процесса образования пор предложено использовать метод рефлектометрии, позволяющий оценить эффективность рассеяния света по уменьшению амплитуды осцилляцнй, обусловленных интерференцией света в эпитаксиальном слое непосредственно в процессе роста. Показано, что применение пористого буферного слоя позволяет увеличить коэффициент вывода света из светодиода на 20% по сравнению с диодами на основе гетероструктур, выращенных в стандартном процессе (рис 3.).

Рис.2. РЭМ изображение скола Рис.3. Увеличение внешнего квантового пластины на границе GaN-сапфир выхода за счёт применения пористого

буферного слоя

В третьей главе рассматривается технология создания низкоомных прозрачных и высокоотражающих р-коитактов на основе плёнок оксида индия-олова (Indium Tin Oxide, или ITO). В первой части главы рассматриваются различные конструкции светодиодных кристаллов. В зависимости от конструкции светодиодного кристалла и способа монтажа вывод света может осуществляться либо через полупрозрачные/прозрачные контакты, либо через прозрачную подложку. В светодиодных кристаллах с выводом света через полупрозрачные р-контакты поглощение света в

И04 0.06

Current, A

материале контакта приводит к значительному снижению коэффициента вывода света. Показано, что коэффициент пропускания плёнок №/Аи(4нм/4нм), применявшихся ранее в качестве полупрозрачных контактов к р-слою, составляет не более 45% .

Одним из возможных подходов к решению проблемы поглощения света в полупрозрачных контактах является применение в качестве контактных слоев плёнок 1ТО, соединения, содержащего 90 весовых % 1п2Ог, и 10 весовых % ЗпОз. Отличительной чертой этого твёрдого раствора является высокая оптическая прозрачность тонких слоев материала при одновременной * электропроводности. Показано, что нанесение плёнок [ТО толщиной 200 нм методом электронно-лучевого испарения на холодную подложку приводит к образованию плёнки с коэффициентом пропускания на длине волны 450 нм менее 1%. Однако, в результате отжига происходит кристаллизация материала плёнки и значительное увеличение коэффициента пропускания. Исследовано * влияние режимов напыления и отжига на коэффициент пропускания и

проводимость плёнок 1ТО. Получены плёнки 1ТО толщиной 200 нм с коэффициентом пропускания 90% на длине алГ1

волны 450 нм, которые применялись в

качестве прозрачных проводящих (2)""сокоотражающий р-контакт 1ТО/Ай

контактов. Применение плёнок 1ТО позволило увеличить внешний квантовый выход светодиодных кристаллов в 2.5 раза (рис 4.).

Рис.4. Внешний квантовый выход светодиодов с выводом света через (1) полупрозрачный р-контакт Ni/Au (2) прозрачный р-контакт ITO

В третьей части главы рассматривается оптимизация отражающего контакта к р-слого GaN в светодиодных кристаллах мезапланарной конструкции с выводом света через прозрачную подложку. Ранее для мощных свегодиодов данной конструкции нами был разработан отражающий контакт к слою р-Оа№ на основе комбинации металлов №/А« (1.5/220 им), обладающей высоким коэффициентом отражения в сине-фиолетовой области спектра. В данной работе рассматривается применение плёнок 1ТО в качестве прозрачного проводящега подслоя вместо слоя N1. Показано, что плёнки (2.5/220нм) обладают коэффициентом отражения на 16% выше, чем плёнка ШАц(1.5/220нм).Показано, что применение отражающего контакта к р-слою ваЫ на основе Ag с применением 1ТО в качестве прозрачного проводящего подслоя позволяет существенно, на 20%, повысить эффективность вывода света, (рис. 5)

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

1. Установлено, что наиболее важным фактором, определяющим падение внутренней квантовой эффективности излучения гетероструктур АНпСаК при больших плотностях тока накачки, является безызлучательиая оже-рекомбинация.

2. Предложена и экспериментально реализована светодиодная гетероструктура, содержащая короткопериодную сверхрешётку с туниельно связанными квантовыми ямами в активной области, позволяющая в 2.5 раза уменьшить величину падения внутренней квантовой эффективности при плотности тока накачки ЮОА/см".

3. На основе светодионых гетероструктур с короткопериодными сверхрешётками в активной области (длина волны излучения 450 им) изготовлены светодиодные кристаллы мезапланарной конструкции с активной площадью 1 мм2. Внешняя квантовая эффективность изготовленных кориусированных светодиодов составила г|пт=40% в максимуме и г|р.т.=3б% при рабочем токе 350 мА.

4. Показано, что применение короткопериодных сверхрешёток GaN/lnxGa,.xN в активной области светодиодной AlInGaN гетероструктуры приводит к стабилизации спектрального положения максимума полосы излучения в широком диапазоне плотностей токов накачки.

5. Разработан способ получения рассеивающего свет рельефа на границе GaN-сапфир в процессе выращивания гетерострукгур AlInGaN методом металлорганической газофазной эпитаксии, обеспечивающий увеличение коэффициента вывода света из светодиодной гетероструктуры и прирост внешнего квантового выхода изготовленных светодиодных кристаллов на 20%.

6. Разработана технология изготовления прозрачных р-контактов на основе плёнок ITO для светодиодных кристаллов мезапланарной конструкции. В изготовленных кристаллах увеличение внешнего квантового выхода достигает 2.5 раз по сравнению с кристаллами с полупрозрачными металлическими контактами.

7. Разработана технология изготовления высокоотражающих р-контактов на основе плёнок ITO/Ag для светодиодных кристаллов мезапланарной конструкции. В изготовленных кристаллах увеличение внешней квантовой эффективности составляет 20% по сравнению с кристаллами с р-контакгом на основе плёнок Ni/Ag.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих

работах:

1. Павлюченко A.C., Рожанский И.В., Закгейм Д.А., Проявление инжекционного механизма падения эффективности светодиодов на основе AlInGaN в температурной зависимости внешнего квантового выхода//2009, ФТП, 43, вып. 10, 1391-1395

2. Л .К. Марков, И.П. Смирнова, A.C. Павлюченко, Е.М. Аракчеева, М.М. Кулагина, «Отражающий р-контакт на основе тонких пленок ITO для флип-чнн светодиодов AlGalnN»// 2009, ФТП, т.43, 11 1564-1569

14

3. Zakheim D.A., Pavluchenko A.S., Bauman D.A., Blue LEDs - way to overcome efficiency droop // Phys. Status Solidi (C), vol. 8, issue 7-8, 2340-2344(2011)

4. Бер Б.Я., Богданова E.B., Грешнов A.A., Закгейм А.Л., Казанцев Д.Ю., Карташова А.ГТ., Павлюченко А.С., Черняков А.Е., Шабуннна Е.И., Шмидт Н.М., Якимов Е.Б., Влияние уровня легирования кремнием и характера наноструктурной организации на падение с током внешней квантовой эффективности lnGaN/GaN-светодиодов //2011, ФТП, т.45, 3, 425-431

5. И.П.Смирнова , Л.К.Марков, А.С.Павлюченко, М.В.Кукушкин, «AlGalnN-светодиоды с прозрачным р-контактом на основе топких пленок 1ТО» // ФТП, 2012,46, вып. 3, 384-388

6. Закгейм Д. А., Павлюченко А.С., Лундин В.В. , Способы повышения квантовой эффективности светодиодных гетероструктур AlInGaN на высоких плотностях тока накачки // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы. Тезисы 5-й всероссийской конференции, М., 2007. стр. 53

7. Павлюченко А.С., Закгейм Д.А., Бауман Д.А., Температурная зависимость эффективности инжекции в светодиодных гетероструктурах на основе AllnGaN // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы. Тезисы 6-й всероссийской конференции, СПб. 2008, стр. 108

8. Смирнова И.П., Марков Л.К., Аракчеева Е.М., Кулагина М.М., Павлюченко А.С., Флип-чип светодиоды AlCialnN с р-контактом на основе пленок ITO // // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы. Тезисы 6-й всероссийской конференции, СПб. 2008, стр. 115

9. Zakheim D.A., Pavluchenko A.S., Bauman D.A., In situ method of improving blue LED light extraction efficiency // The 8lh international conference oil nitride semiconductors, Korea 2009, p. 1389

10. Павлюченко A.C., Закгейм Д.А., Бауман Д.А., Создание пористой структуры на границе GaN-сэпфир для оптимизации вывода света из

светодиодного кристалла // Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы. Тезисы 7-й всероссийской конференции, М. 2010, стр. 21

11. Закгейм Д.А., Павлюченко A.C., Бауман Д.А., Мощные синие светодиоды - пути повышения эффективности // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы. Тезисы 7-й всероссийской конференции, М., 2010 стр. 105

12. Богданова Е.В., Бер Б.Я., Грешнов A.A., Закгейм А.Л., Зегря Г.Г., Казанцев Д.Ю., Соколова З.Н., Павлюченко A.C., Черняков А.Е., Шмидт Н.М., Якимов Е.Б., Вклад оже-рекомбннации в падение внешней квантовой эффективности синих светодиодов на основе квантовых ям InGaN // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы. Тезисы 7-й всероссийской конференции, М„ 2010 стр. 109

13. Закгейм АЛ., Закгейм Д.А., Мизеров М.Н., Павлюченко A.C., Черняков А.Е., Особенности работы высокомощных InGaN светодиодов в широком температурно-токовом диапазоне // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы. Тезисы 7-й всероссийской конференции, М., 2010 стр. 143

14. Павлюченко A.C., Закгейм Д.А., Бауман Д.А., Булашевич К.А., Хохлев О.В., Карпов С.Ю., Минимизация падения эффективности с ростом тока накачки в синих светодиодах на основе нитрида галлия // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы. Тезисы 8-й всероссийской конференции, СПб., 2011 стр. 43

15. Павлюченко A.C., Закгейм Д.А., Черняков А.Е., Температурные зависимости квантовой эффективности электролюминесценции // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы. Тезисы 8-й всероссийской конференции, СПб., 2011 стр. 55

16. Шмидт Н.М., Бер Б.Я, Закгейм АЛ., Закгейм Д.А., Казанцев Д.Ю., Павлюченко A.C., Черняков А.Е., Особенности спектров электролюминесценции синих светодиодов на основе короткопериодных

InGaN/GaN решеток // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы. Тезисы 8-й всероссийской конференции, СПб., 2011 стр. 57 17. In situ method of improving blue LED light extraction efficiency. D. A. Zakheim, A. S. Pavluchenko, D.A. Bauman // Theses of 8th International Conference on Nitride Semiconductors, Jeju Island, Korea, 2009

Подписана в печать «12» января 2012г. Формат 60x84/16 Бумага офсегная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,3. Тираж 80 экз. Заказ № 373

Типография «Восстания -1» 191036, Санкт-Петербург, Восстания, 1.

61 12-1/480

Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН

на правах рукописи

/7

Павлюченко Алексей Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГЕНЕРАЦИИ И ВЫВОДА СВЕТА В СВЕТОДИОДАХ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР АИпСаМ

Специальность:

01.04.10 - физика полупроводников

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат.наук, профессор С. А. Гуревич

Санкт-Петербург 2011

Оглавление

Введение ..........................................................................................................................4

Глава 1. Оптимизация активной области светодиодной гетероструктуры на основе АНпОаИ.............................................................................16

1.1. Проблема падения внешней квантовой эффективности с ростом тока накачки и предлагаемые методы решения (обзор)................16

1.2. Неоднородность инжекции носителей в активную область в стандартной гетероструктуре. Гетероструктуры с короткопериодной сверхрешёткой в активной области.............................................................................23

1.3. Моделирование электрооптических свойств гетер о структур с короткопериодной сверхрешёткой в активной области..............................34

1.4. Экспериментальное исследование гетероструктур с короткопериодной сверхрешёткой в активной области. Сопоставление с результатами моделирования.........................................................................................37

1.5. Особенности температурных зависимостей эффективности и спектральных характеристик электролюминесценции светодиодных гетероструктур на основе АПпСаИ................................................................................43

Глава 2. Создание рассеивающих свет неоднородностей на границе ваИ-сапфир для преодоления эффекта полного внутреннего отражения света и увеличения внешней квантовой эффективности светодиодов .......................................................................................................................48

2.1. Способы создания рассеивающих интерфейсов на границах светодиодной гетероструктуры для увеличения коэффициента вывода света (обзор]..............................................................................................................................48

2.2. Формирование пористого слоя на границе ОаМ-АЬОз на стадии роста низкотемпературного зародышевого слоя................................52

2.3. Экспериментальное подтверждение повышения эффективности в светодиодных гетероструктурах, выращенных на сапфировой подложке с формированием пористого слоя на границе GaN-А120з .................................................................................................................................67

Глава 3. Повышение эффективности вывода света из кристаллов светодиодов на стадии формирования контактов, исследование свойств прозрачных проводящих плёнок ITO...........................................................................70

3.1. Сравнение существующих конструкций мощных эффективных светодиодных кристаллов (обзор]................................................70

3.2. Разработка технологии создания прозрачного проводящего контакта к р-поверхности светодиодных кристаллов, в которых вывод света осуществляется через прозрачный контакт...............................................74

3.3. Способы создания контактов с высоким коэффициентом отражения к р-поверхности светодиодных кристаллов мезапланарной конструкции, в которых вывод света осуществляется через прозрачную подложку .................................................................................................................................85

Заключение .......................................................................................................................92

Публикации автора по теме диссертации.................................................................94

Список литературы................................................................................................................97

Введение

Актуальность темы

В последние годы достигнут значительный прогресс в технологии эпитаксиального выращивания гетероструктур АПпОаЫ. Это привело к созданию эффективных светодиодов, работающих в видимой, синей и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Такие светодиоды находят всё более широкое применение в системах индикации, подсветки, навигации и т.д. Однако, наиболее важная область применения - создание на основе синих светодиодов АЮаЫМ источников белого света, способных составить конкуренцию традиционным лампам накаливания, флуоресцентным и галогеновым лампам. Прогресс в данной области связан с разработкой эффективных мощных светодиодов, работающих при высоких плотностях токов накачки. Однако, на сегодняшний день эффективность мощных светодиодов на основе АИпваК ограничена падением внутреннего квантового выхода электролюминесценции с ростом плотности тока накачки и низкой эффективностью вывода света из светодиодных кристаллов.

В гетероструктурах АПпваЫ падение внутреннего квантового выхода с током приводит к уменьшению мощности излучения светодиодов, что особенно заметно при плотностях тока накачки в диапазоне 50 - 100 А/см . Таким образом, актуальной является задача исследования процессов генерации света в гетероструктурах АПпОаЫ и выявление причин падения внутреннего квантового выхода, препятствующего дальнейшему увеличению мощности излучения.

В светодиодах на основе гетероструктур АПпОаТчГ, выращиваемых, как правило, на подложках из сапфира, эффективность вывода излучения ограничена эффектом полного внутреннего отражения генерируемого света на границах полупроводника с воздухом и с подложкой и поглощением излучения в отражающих или полупрозрачных контактах. Сильнее всего эти ограничения проявляются в кристаллах светодиодов АПпваМ большой мощности и, соответственно, большой площади, что ставит решение проблемы вывода излучения в ряд наиболее актуальных задач. Повышение эффективности вывода генерируемого излучения может достигаться путём создания отражающих контактов и формирования оптических неоднородностей в структуре прибора, в частности, рассеивающего свет микрорельефа на одной из поверхностей эпитаксиальной гетероструктуры.

В целом, актуальными являются задачи разработки и оптимизации конструкций и технологии изготовления светодиодных гетероструктур АПпОаЫ, а также светодиодных кристаллов на их основе, направленные на достижение высоких значений эффективности и мощности излучения светодиодов.

Цель работы

Исследование процессов генерации и вывода света в светодиодных гетероструктурах АПпОаЫ, повышение внутренней и внешней квантовой эффективности светодиодов (спектральный диапазон 430-470 нм) при больших плотностях токов накачки (до 100 А/см ).

Для достижения поставленной цели потребовалось решить ряд задач:

- Выявить причины падения внутренней квантовой эффективности излучения в светодиодных гетероструктурах АПпОаЫ и предложить пути повышения квантовой эффективности при больших плотностях токов накачки.

- Разработать технологию формирования оптических неоднородностей в структуре светодиодного кристалла А11пОа1Ы, обеспечивающих эффективное рассеяние генерируемого света и увеличение эффективности вывода излучения из светодиодного кристалла.

- Разработать методы формирования низкоомных прозрачных и отражающих контактов к слою р-ОаТЧ, позволяющие снизить оптические потери при выводе излучения из кристалла.

Научная новизна работы состоит в следующем

- Впервые предложено использование короткопериодных сверхрешёток ОаМ1пхОа1.хЫ с туннельно-связанными квантовыми ямами в активной области светодиодной гетероструктуры АПпОаН для снижения темпа безызлучательной оже-рекомбинации, что позволило уменьшить падение внутренней квантовой эффективности с ростом плотности тока накачки.

- Впервые показано, что в результате подавления эффекта Штарка в светодиодных гетероструктурах АИпОаИ с короткопериодными сверхрешётками в активной области спектральное положение максимума излучения слабо зависит от плотности тока накачки.

- Впервые экспериментально продемонстрировано, что наличие пористого слоя на границе Оа]\Г-сапфир приводит к существенному повышению внешней квантовой эффективности светодиодного кристалла на основе гетероструктуры АИпОаК

- Показано, что использование слоя оксида индия-олова (1ТО) в составе низкоомных прозрачного и высокотражающего р-контактов позволяет существенно уменьшить оптические потери при выводе излучения из светодиодного кристалла.

Практическая ценность работы

- Разработана технология выращивания методом металлорганической газофазной эпитаксии гетероструктур АИгЮаК с короткопериодной сверхрешёткой в активной области, позволяющая увеличить внутренний квантовый выход и мощность излучения светодиодов при высоких плотностях токов накачки, а также повысить стабильность спектральных характеристик излучения.

- Разработан способ формирования рассеивающего пористого слоя на границе ваИ-сапфир в процессе выращивания светодиодной гетероструктуры АПпОаИ методом металлорганической газофазной эпитаксии, применение которого позволяет существенно увеличить эффективность вывода света из светодиодного кристалла.

- Разработана технология получения низкоомных прозрачного и высокоотражающего контактов к р-Оа1Ч, что позволяет повысить эффективность вывода света из светодиодного кристалла.

Разработанные технологии и способы успешно применяются в условиях серийного производства синих и белых светодиодов на основе гетероструктур ЛЮаММ в ЗАО «ЭПИЦЕНТР» и ЗАО «ИФ «ТЕТИС» (г. Санкт-Петербург).

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Применение короткопериодных сверхрешёток ОаМ/1пхОа1.хЫ с туннельно связанными квантовыми ямами в активной области светодиодной гетероструктуры АНпваМ позволяет в 2.5 раза уменьшить величину падения квантовой эффективности при плотности тока 100 А/см .

2. Применение короткопериодных сверхрешёток GaN/InxGai.xN с туннельно связанными квантовыми ямами в активной области светодиодной гетероструктуры AlInGaN приводит к стабилизации спектрального положения максимума полосы излучения в широком диапазоне плотностей токов накачки.

3. Увеличение толщины низкотемпературного буферного слоя GaN и длительности последующего высокотемпературного отжига приводит к формированию на границе GaN-сапфир пор толщиной порядка 100 нм и размерами 300-1000 нм в плоскости слоя. Наличие таких пор обеспечивает рассеяние генерируемого излучения, что приводит к повышению эффективности вывода света из светодиодного кристалла на 20%.

4. Применение прозрачных р-контактов на основе плёнок ITO для светодиодных кристаллов мезапланарной конструкции обеспечивает увеличение внешнего квантового выхода в 2.5 раза по сравнению с кристаллами с полупрозрачными металлическими контактами.

5. Применение высокоотражающих р-контактов на основе плёнок ITO/Ag в светодиодных кристаллах мезапланарной конструкции приводит к увеличению внешней квантовой эффективности на 20% по сравнению с кристаллами с р-контактом на основе плёнок Ni/Ag

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на IX

Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников,

полупроводниковой опто- и наноэлектронике (СПб, 2007); «Международной

зимней школе по физике полупроводников» (Зеленогорск, 2008); 5-й, 6-й, 7-

й, 8-й Всероссийских конференциях «Нитриды галлия, индия и алюминия -

структуры и приборы» (М., 2007, 2010; СПб, 2008, 2011), международных

конференциях 8th и 9th International Conferences on Nitride Semiconductors (Jeju

Island, Korea 2009; SECC, Glasgow 2011), международной конференции 3rd

8

International Symposium on Growth of III-Nitrides (Montpellier, 2010), международной конференции International Workshop on Nitrides (Florida,USA, 2010)

Публикации

По результатам исследований, вошедших в диссертационную работу, опубликовано 17 научных работ.

Личный вклад автора заключается в выращивании светодиодных гетероструктур методом металлорганической газофазной эпитаксии, проведении измерений, обсуждении результатов, подготовке статей к публикации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитированной литературы. Диссертация содержит 103 страницы текста, включая 47 рисунков и 4 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 82 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель

диссертации, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена оптимизации активной области светодиодных

гетероструктур AlInGaN с целью увеличения внутреннего квантового выхода

электролюминесценции при высоких плотностях токов накачки. Вначале

рассматриваются основные механизмы падения эффективности с ростом

плотности тока накачки, такие как перегрев активной области, наличие

локализованных состояний в активной области, снижение коэффициента

инжекции и конкуренция процессов излучательной рекомбинации и

9

безызлучательной оже-рекомбинации. Далее рассматривается стандартная светодиодная гетероструктура с несколькими квантовыми ямами 1пхОа].хК (~3 нм) в активной области, разделёнными толстыми барьерами (~10 нм). На основе одномерной численной модели, позволяющей проводить анализ инжекции и транспорта носителей в гетероструктуре, показано, что в стандартных структурах падение эффективности может быть объяснено конкуренцией процессов излучательной и оже-рекомбинации. Численная модель реализована в программном продукте 81ЬЕИ8е производства ООО "Группа СТР" - ООО "Софт-Импакт", (www.str-soft.com/products/SimuLED). Исследовано влияние числа квантовых ям в активной области стандартной гетероструктуры на падение внутреннего квантового выхода с током накачки. Показано, что увеличение числа квантовых ям в активной области не приводит к снижению концентрации носителей, поскольку эффективная инжекция носителей происходит только в ближайшую к р-п-переходу квантовую яму. По результатам расчётов в качестве решения данной проблемы предложено использование короткопериодной сверхрешётки (КПСР) = ОаМ/1пхОа1.хН с туннельно прозрачными барьерами (толщина 2-3 нм) для обеспечения однородного заполнения квантовых ям и снижения концентрации носителей в активной области. Приведены результаты моделирования гетероструктур с различными параметрами активной области: число и ширина квантовых ям, толщина барьеров.

В третьей части главы приведены результаты экспериментов по

выращиванию светодиодных гетероструктур и созданию светодиодных

кристаллов и светодиодов на их основе. Показано, что применение КПСР в

активной области светодиодной гетероструктуры позволяет снизить падение

внешнего квантового выхода таких светодиодов по сравнению со

светодиодами на основе стандартной гетероструктуры. Результаты

исследования спектральных характеристик светодиодов с КПСР в активной

области показывают высокую стабильность спектрального положения

10

полосы излучения при изменении тока накачки в широком диапазоне. Для изготовленных на основе гетероструктур с КПСР белых светодиодов с активной площадью 1 мм получены значения светового потока 75 лм при токе 350 мА. Полученные характеристики белых светодиодов находятся на уровне лучших достижений ведущих производителей, таких как Cree, SemiLED, Lumileds.

Вторая глава посвящена разработке технологии создания пористых рассеивающих слоев на границе GaN-сапфир. В первой части главы рассмотрены основные факторы, ограничивающие эффективность вывода света из светодиодного кристалла и описанные в литературе способы увеличения коэффициента вывода света. Большая разница показателей преломления на границах гетероструктуры с подложкой/воздухом приводит к тому, что значительная доля генерируемого излучения оказывается запертой в плоскопараллельном волноводе, образованном границами гетероструктуры. Рассматриваются различные способы создания рассеивающих свет структур на обеих границах эпитаксиальной гетероструктуры. Наиболее эффективными из них являются использование профилированных подложек сапфира, лазерное отделение сапфировой подложки с последующим растравливанием микрорельефа на п-поверхности гетероструктуры. Однако, все упоминаемые в литературе методы создания рассеивающих поверхностей значительно усложняют процесс производства светодиодных кристаллов на до- или постростовой стадии. Предлагаемый в данной работе метод создания рассеивающей свет структуры на границе GaN-сапфир не предполагает введения дополнительных операций в технологию производства кристалла, а является модификацией стандартного ростового процесса.

Во второй части главы рассматривается методика выращивания слоев

GaN на сапфировой подложке с применением низкотемпературного

буферного слоя. Данная методика была предложена Акасаки и с некоторыми

11

модификациями является стандартным способом выращивания низкодефектных эпитаксиальных слоев GaN на сапфировой подожке. Основные стадии стандартного процесса включают: нанесение аморфного слоя GaN при температуре ~530°С, отжиг при температуре ~1100°С, приводящий к формированию кристаллических зародышей вюрцитной фазы, разращив�