Исследование вопросов кинетики и деградации электролюминесценции светоизлучающих диодов на основе арсенида галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

? Г 5 ОД

, ;1ТУЗИНСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

3 1!.ин ^

На правах рукописи

КАКУШАДЗЕ ДЖЕМАЛ ГРИГОРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСОВ КИНЕТИКИ И ДЕГРАДАЦИИ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СВЕТОИЗЛУЧАЮШИХ ДИОДОВ НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

Специалыюсиь 01.04.10-физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

дисертации па соискапие учепой степени кандидата физико-математических паук

Тбилиси - 1997

Работа выполнена в Тбилисском Государственном Университете имени Ив. Джавахишвшш и производственном объединении "Миоп"

Научный руководитель: КЕКЕЛИДЗЕ НОДАР ПРОКЛЕВИЧ,

доктор физико-математических паук, профессор

Эксперт: АЛАДАШВИЛИ ДАВИД ИОСИФОВИЧ,

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные опопешы: ЗВИАДАДЗЕ МИХАИЛ ДАВИДОВИЧ,

доктор физико-математических наук, профессор

ДЖАКЕЛИ ВАЖА ГЕОРГИЕВИЧ доктор физико-математических паук

Ведущая организация: Институт кибернетики АН Грузии.

Защита диссертации состоится " Ь " р,% 1997г. \Ъ° часов в VI

корпусе Грузинского Технического Университета на заседании РЬМ 01. 04. С №2 диссертационного совета

адрес: 380075, Тбилиси, ул. М. Костава 77.

С диссертацией можно Ознакомиться в библиотеке Грузинского Технического Университета.

Автореферат разослан " СЛ т Л 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук,

профессор А1У,

/ - сои!^-^ л / ЧИКОВАНИ Р.И./

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы. Светоизлучающие диоды (СД) один из основпых элементов оптоэлектропикн, предназначены в основном для визуального восприятия информации. Для создания диодов в видимой области спектра, необходимо чтобы ширина запрещенной зоны была примерно равна или больше 1,8 эВ, т.к. человеческий глаз восприимчив к излучению именно с этой эпергиен. Для создания СД также важно получать полупроводниковые гомо или гегсроструктуры, при этом вывод излучаемого света из кристалла должен быть как можно с меньшими потерями на самопоглошенне и т.д. За последние три десятилетия постепенно решались эти и другие вопросы для создания высокоэффективных СД. Принципиально было решено получение высокоэффективных светоизлучающих диодов в красной, оранжевой, желтой, зеленой и синей областях спектра. Несмотря па такие успехи пауки и техники, пока еще много нерешенных проблем в этой сфере оптоэлектроннкн. Во первых надо решить вопрос получения высокоэффективных СД в синей и фиолетовой областях спектра.Надо повысить внутренний квантовый выход до 100%, умепьшить потери на самопогаощепие внутри кристалла, максимально увеличить внешний квантовый выход за счет многопроходимости или переизлучения света, уменьшить потребляемую мощность, решить вопрос деградации и т.д.

Потребность в СД с каждым днем растет (папр, фирма Hewlett-Packard в год продает СД иа несколько миллиардов долларов).Перспективы осуществления проектов будущего (оптоэлект-ронпые микропроцессоры, плоский экран, оптический кабель и т.д.) делают очень актуальными как создание новых технологий, так и исследования в этом направлении.

Цель работы - изучепие вопросов кинетики и деградации в СД на основе GaAs с сильно легированной компенсированной активной областью. Одной из основпых характеристик СД является время жизни инжектированных в активную область неосновных носителей тока. Здесь конкурируют два капала рекомбинации: канал излучательной и капал безызлучательпой рекомбинации. Знание времен излучательной рекомбинации дает возможность определить квантовую эффективность, быстродействие СД и т. д. Оказалось, что чем больше квантовая эффективность, тем меньше его быстродействие.

Ках показывают эксперименты, большой квантовый выход достигается в СД, активная область которых сильно легирована и сильно компенсирована. В диссертационной работе теоретически изучены экспериментально наблюдаемые зависимости времен излучательных переходов от частоты излучаемого кванта в сильно легированных полупроводниках с высокой степенью компенсации.

СД со временем деградируют (уменьшается интенсивность излучаемого света). Наряду выше изложеным, целью диссертационной работы является изучение деградации и нахождение путей его устранения.

Новизна работы. 1.Впервые учтены глубокие уровни акцепторного типа при вычислении излучательных времен жизни в зависимости от частоты в сильно легированных компенсированных полупроводниках, при рекомбинации электронов с уровней протекания на уровни акцепторного типа.

2. Впервые получено аналитическое выражение для времен жизни неосновных носителей в зависимости от частоты при переходах "хвост-хвост" в сильно легированных полупроводниках с высокой степенью компенсации.

3.Впервые получено аналитическое выражение для времени жизни неосновных носителей в сильно легированных компенсированных полупроводниках при излучательных переходах электронов из зоны проводимости на глубокие донорные уровни.

4.Впервые для объяснения причин деградации СД предложен механизм фотостимулированной диффузии междоузельных атомов основной легирующей примеси, вызванной излучением генерированного в активной области прибора

5. Впервые даны рекомендации для ослабления или устранения медленных процессов деградации.

6.Впервые дана правильная интерпретация величины уменьшения ширины запрещенной зоны в сильно легированных компенсированных полупроводниках.

7.Впервые объяснено, каким образом сильное легирование и сильная компенсация увеличивают внешний квантовый выход СД до 2%.

Практическое значение. Знание излучательного времени жизни неосновных носителей тока дает возможность определить быстродействие диода, сделать выводы о механизме рекомбинации, 22

установить связь между времепем излучательпой рекомбипацпи и внутренним квантовым выходом и т.д

Для гомогенных диодов типа СаАв существенное значение имеет наличие, сильно легированного и сильно компенсированного, активного слоя что дает возможность увеличения как внутреннего, так и внешнего квантового выхода.

В СД на основе СаА1Аз активпая область должна быть изготовлена с обратным распределением алюминия, что обеспечивает наряду с высоким квантовым выходом деградационную стойкость СД.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертационной работы получены автором.

Апробация. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях и семииарах.

Всесоюзное научно-техническое совещание "Дальнейшее развитие оптоэлектронпкн," г. Кишинев. 1977 г.

Секция "Полупроводниковые гетероструктуры" паучпого совета по проблеме "Физика и химия полупроводников" АН СССР, г. Тбилиси, 1977 г.

Всесоюзное "Девятое совещапие по теории полупроводппков" г. Сигнахи, 1978 г.

Всесоюзное совешапие по люмипесцепцин, посвящеппое "90 летаю со дня рождения академика С.И. Вавилова", г. Ленинград, 1981 г.

Всесоюзный семинар по проблеме "Деградация полупров одннковых материалов н приборов" Ленинградский Политехнический Институт, 1986, 1987 г.г.

Всесоюзная паучпо-техпическая конференция по функциональной оптоэлектропике "Оптоэлектроппые методы и средства обработки изобретении", Винница, 1987 г.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в шести трудах (пять статей и один тезис), перечень которых дается в конце автореферата.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, приложепия и цитированной литературы.

Содержание работы.

В введении_обоснована актуальность диссертационной работы. Приведени достижения в разработках СД на сегодняшний день во всех областях видимого снектра и те проблемы, которые стоят перед исследователями.

Первая глава посвящена литературному обзору сильно легированных компенсированных полупроводников и деградации СД. Как показали эксперименты, самым высоким внутренним квантовым выходом, при прочих равных условиях, обладают СД, активная область которых сильно легирована и сильно компенсирована. Поэтому уделено внимание описанию физических и люминесцентных свойств сильно легированных компенсированных полупроводников.

Здесь же дается обзор литературы вопросов деградации СД. Рассмотрены характерные явления, связанные с деградацией СД. Приведены существующие механизмы деградации СД.

Второя глава посвящена рассмотрению зависимости излучательного времени жизни неосновных носителей от частоты излучаемого кванта в сильнолегнрованных компенсированных нолупроводниках.Когда степень компенсации больше 0,5 и стремится к единице, максимум излучения смешается в длинноволновую сторону спектра на 100-200 мэВ, а времена излучательных переходов растут.Когда степень компенсации больше 0,5 электроны рекомбшшруют с дырками, локализованными на уровнях акцепторного типа, вызванными крупномасштабными флуктуациями и флуктуациями акцепторной пары. Как показывают эксперименты, при таких переходах времена излучательных переходов в зависимости от частоты изменяются в пределах 20-80 нс.Учитывая это с применением потенциала Хюлтена вычислены излучательные времена в зависимости от частоты. Экспериментально полученные и теоретически вычисленные времена хорошо согласуются как качественно, так и количественно.

Третья глава_посвящается случаю, когда степень компенсации близка к единице. В этом случае и электроны и дырки локализованы и имеет место диагональное туннелирование. Для глубоких акцепторных уровней вычислены времена излучательных переходов в приближении дельта-образного потенциала Луковского. Экспериментально наблюдаемые и вычисленные времена находятся в хорошем согласии.

В четвертой главе вычислены излучательпые времепа жизни при переходах из зоны проводимости па глубокие акцепторные уровни в приближении применения потенциала Луковского. Ряд экспериментальных данных при диагональпом туннелировапии указывает на то, что времена захвата посителей но глубокие потенциальные ямы сравнимы с временами излучательных переходов. Предполагается, что захват электронов на глубокие уровни "хвоста" может быть излучательным. Теоретически вычисленные времена захвата составляют порядка 20-30 не; однако, отмеченное должно быть подтверждено экспериментально.

В пятой главе рассмотрена деградация СД. Этот вопрос очень актуальный. Например, до сегодняшнего дня диоды синего цвета не достигли производственного уровня, несмотря па то, что их квантовый выход достаточен для удовлетворения запросов потребителей. Причиной является их деградация. В диссертационной работе рассмотрены характерные явления, связанные с деградацией СД, приведены существующие механизмы деградации. Диод считается деградированным, если интенсивность его излучения падает в два раза и больше.Надо отметить, что выход СД из строя процесс постепенный. Определялись пекие закономерности, которые наблюдаются во время работы СД.

Для объяспепия процессов медленной деградации предложены два механизма: диффузионпая модель Лонжшга и появление дефектов по Френкелю, который предложили Голд и Вайсберг. Но ни один из существующих мехапнзмов однозпачно не объяспяет все закономерности, связанные с деградацией.

Анализируя литературные данные и результаты наших исследований, мы пришли к выводу, что причина деградации-геперированный в диоде свет, который вызывает фотостимулировапную диффузию междоузельпых атомов основной легирующей примеси. Таким образом увеличивается концентрация акцепторных примесей в активной области и в области объемного заряда со стороны р-тнпа, что н вызывает деградацию СД. С помощью отмеченной модели объясняются все закономерности, связанные с деградацией. Исходя нз этого можно заключить, что необходимо генерированному свету перекрыть возможность распространения к подложке в р-областн. Для этого надо создавать диоды с переизлучающим активным слоем.

В диодах типа ОаАв для ослабления деградации активную область следует сильно легировать и сильно компенсировать так, чтобы в ней концентрация свободных дырок была бы меньше оптимальной, чтобы после фотостимулировашгай диффузии в активной области получить оптимальную концентрацию.

Основные результаты работы.

1. Показано, что при вычислении времен излучательных переходов в сильно легированных компенсированных полупроводниках необходимо учитывать переходы на уровни акцепторного типа.Так как эти уровни частично экранированы, для вычисления указанных времен был использован потенциал Хюлтена, который содержит как близкодействующую, так и дальнодействующую кулоновскую с оставляющую.Вычисленные таким пугем времена излучательных переходов в зависимости от частоты как качественно, так и количественно хорошо согласуются с экспериментальными данными.

2. Показано, что кош рекомбинация происходит через "хвост-хвост" (диагональное туннелировапие)дырки экранированы. Для этого случая нами был применен дельта-образпый потенциал Луковского. В таком приближении вычисленные излучателыше времена жизни в зависимости от частоты в хорошем согласии с экспериментальными данными.

3. Показано, что в сильно легированных и сильно компенсированных полупроводниках, при вычислении ширины запрещенной зоны в литературе концентрационное изменение учитывается дважды и получаются неверные результаты. В работе отмечено, что сужение ширины запрещенной зоны связано с крупномасштабными флуктуациями заряженных примесей.Так вычисленная ширина запрещенной зоны между уровнями протекания совпадает с экспериментальными данными. Напр. при степени компенсации 0,67 экспериментальное значение суженной запрещенной зоны равно 1,49 эВ, а вычисленное 1,491 эв. При степени компенсации 0,96 вычисленное значение хорошо совпадает с экспериментальным значением 1,456 эВ. При вычислении плотности состояний, необходимо пользоваться формулой, в которой учтены флуктуации, связанные со скоплением пары или большим количеством примесей. При этом надо суммировать концентрации доноров и акцепторов.

4. Получено аналитическое выражение для переходов электронов из зоны проводимости на глубокие допорные уровни в сильно легированных компенсированных полупроводниках.

5. Высказано предположение, что в сильно легированных и сильно компенсированных образцах, когда степепь компенсации стремится к единице, захват электронов на эти уровни может происходить с излучением в далекой инфракрасной области.

6. Предложен механизм фотостимулированной диффузии междоузельных атомов основной легирующей примеси, который является причиной медленной деградации. В отличие от других видов деградации, фотостимулированная диффузия является следствием генерированною излучения в СД. Даны рекомендации для ослабления и устранения процессов деградации.

7. Дается объяснение увеличению внешнего квантового выхода СД до 2% в сильно легированных компенсированных полупроводниках.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1.З.С. Качлшпвшш, Д.Г. Какушадзе. Время жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках с глубокими излучательпыми центрами."Электронпая техника" серия 2, в.8, стр. 62 1977г.

2.Д.Г. Какушадзе, P.A. Чармакадзе, Р.И. Чиковани. Гетеропереходы на основе галлий-алюмшшй-мышьяк с компенсированной активной областью. Материалы докладов "Дальнейшее развитие оптоэлектроникн" стр. 29, Москва 1977г.

3. Д.Г. Какушадзе. Временные характеристики люминесценции сильно легированных компенсированных полупроводников. ФТП. Т.18.ВЫП.11, стр.212 1984г.

4. ДГ. Какушадзе. Обьяспепие природы деградащш светоизлучаюших диодов единым механизмом. Сообщения АН ГССР120.3, стр.509 1985г.

5.Д.Г. Какушадзе, В.З. Кучава, P.A. Чармакадзе. Переходы "хвост-хвост" в сильнолегированпых компенсированных полупроводниках. Сообщения АН ГССР, 136. 1, стр. 45 1989г.

6.R.N. Alania, L.V. Vekua,D.G. Kakushadze, N.P. Kekelidze, V.Z. Kuchava, M.O. Lordkipanidze, R.A. Charmakadze. The experimental proof of the photoinduced diliusion model. Bui. of the Georgian academy of sciences v.156. 3, 1997.