Механизмы излучательной рекомбинации в гетероструктрурах на основе InGaN/AIGaN/GaN с одиночными квантовыми ямами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

г г 5 \

2 1 ДПР 1333

Московский Государственный Университет имени М.В.Ломоносова

На правах рукописи

ТУРКИН Андрей Николаевич

Механизмы излучательной рекомбинации в гетероструктрурах на основе 1п6аМ/АЮаМ/0аМ с одиночными квантовыми ямами

(01.04.05-оптика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1998 г.

Работа выполнена на кафедре оптики и спектроскопии и кафедре физики полупроводников физического факультета Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова

Научные руководители:

доктор физ.-мат. наук, профессор Михайлин Виталий Васильевич доктор физ.-мат. наук, профессор Юнович Александр Эммануилович

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат наук, профессор НИКИТЕНКО Владимир Александрович

кандидат физ.-мат. наук, доцент ТИМОШЕНКО Виктор Юрьевич

Ведущая организация:

Физико-Технический Институт км. А.Ф.Иоффе РАН

Защита состоится "'ГУ" , Сх-А<-е-(' 1998 года в "часов на заседании диссертационного совета N2 1 ОЭТФ К.053.05.17 Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова по адресу 119899, г.Москва, Воробьевы Горы, МГУ, физический факультет, ауд. ■■¿Гг/У

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан " }998 года

Ученый секретарь Спецализированного с кандидат физ.-мат. наук

Введение. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы обусловлена необходимостью научного обоснования разработок новых источников излучения - полупроводниковых светодиодов и лазеров в голубой и зеленой области спектра, представляющих большой интерес для практических применений.

Создание источников света было и остается исключительно важным делом для человека. Развитие технологии производства источников света характеризуется изобретением более ярких и эффективных источников - от использования огня до электрических ламп.

Во второй половине XX века активно развивается технология создания люминесцентных источников света , основанная на использовании

излучательной рекомбинации в полупроводниках. Достижение высокой эффективности электролюминесценции в полупроводниках начиная с 1962 года привело к созданию технологии светодиодов (СД) на основе АЮаАз, АНпваР. СД, излучающие свет в красной области видимого спектра с эффективностью излучения, превосходящей лампы накаливания, появились в конце 1980-х, а желтой - в начале 1990-х годов. Но создание источников излучения в коротковолновой части видимого спектра встретило серьезные трудности. Были сделаны голубые СД на основе непрямозонного полупроводника ЭЮ, но их эффективность была ниже эффективности красных и желтых СД на несколько порядков.

В последние годы были проведены многочисленные исследования нитридов III группы , включая твердые растворы А1 - ва - 1п - N. которые характеризуются значением ширины запрещенной зоны Е3, соответствующим

излучению света в коротковолновой части видимого диапазона. Исследования нитрида галлия про- водились в различных странах многочисленными исследовательскими группами. Поиски последних лет в области полупроводников на основе нитридов привели в 1994 года к созданию сверхъярких СД на основе нитрида галлия , излучающих в диапазоне длин волн от зеленой до фиолетовой, с эффективностью, превышающей эффективность ламп накаливания, и сравнимой с эффективностью красных и желтых СД .

С появлением этих СД открылись практически важные области применений. Одна из них связана с возможностью получать с помощью СД три основных цвета , используемых в светофорах , экранах и цветных табло. Вторая - возможность создания коротковолновых инжекционных лазеров. Это позволит производить оптические накопители, запоминающие и считывающие устройства с высокой плотностью информации. Лазеры , излучающие в диапазоне частот от зеленой до ультрафиолетовой, сделают реальными технологию полноцветной печати с высоким разрешением и телевизоры с цветным изображением , основанным на диодных лазерных источниках.

В последние несколько лет были достигнуты большие успехи в создании излучающих гетероструктур из и твердых растворов на его основе. Работы по проблеме были представлены на 1-м Международном Семинаре по ваМ и аналогичным материалам, прошедшем в декабре 1995 г., на сессии Общества Материаловедения в Бостоне (США), 1-м Европейском Семинаре по СаМ в июне 1996г. в Риги (Швейцария), на сессии Общества Материаловедения в Бостоне (США) в декабре 1996 г., на 2-м Европейском Семинаре по 6аЫ в Вальбонне (Франция) в июне 1997 г.

Рекордные результаты по разработке светодиодов для коротковолновой (фиолетовой, голубой, зеленой) части видимого спектра были достигнуты методом эпитаксии из металло-органических соединений группой фирмы Ничия (Япония). Первые промышленные голубые СД на основе нитридов типа АМ|ВУ были сделаны в начале 1994 года. Они состоят из двойной гетероструктуры lпGaN/AIGaN с легированным 2п и активным слоем 1гЮаМ. Было показано, что на основе многослойных гетероструктур 1гЮаМ/АЮа№СаМ с тонким (2+3 нм) активным слоем из lnGaN возможно создание светодиодов в указанной спектральной области с внешним квантовым выходом до 4^9%.

В начале февраля 1996 года Др. Ш. Накамура прислал несколько таких образцов СД для изучения на кафедру физики полупроводников физического факультета МГУ, в группу профессора А.Э. Юновича, в которой выполнялась настоящая работа.

Несмотря на значительные успехи в технологии создания эффективных СД, механизмы рекомбинации в многослойных гетероструктурах на основе ваМ с одиночными квантовыми ямами не были исследованы.

Целью настоящей работы является изучение спектров электролюминесценции светодиодов на основе многослойных 1пОаМ/АЮаМ/СаМ гетероструктур с одиночными квантовыми ямами, выяснение механизмов излучательной рекомбинации и протекания тока в данных гетероструктурах.

В соответствии с этой целью были решены следующие конкретные задачи:

- Усовершенствование методики экспериментального исследования спектров ЭЛ с использованием компьютерной техники.

- Разработка методики измерений абсолютной мощности и внешнего квантового выхода ЭЛ СД на основе ГС 1п6а№А1Са№СаМ.

- Исследование спектров ЭЛ СД на основе ГС 1п6аМ/А1Са1МЗаЫ в широком диапазоне токов.

- Анализ механизмов, определяющих излучательную рекомбинацию, и механизмов протекания тока в этих ГС.

Научная новизна работы:

• Исследованы спектры электролюминесценции СД на основе гетероструктур 1пСа№АЮаМ/СаМ. Предложена модель описания основной полосы, учитывающая флуктуации потенциала, связанные с различной концентрацией 1п в гетероструктурах, деформациями, размерами квантовых ям и полями примесей.

• Впервые для гетероструктур на основе GaN обнаружена полоса электролюминесценции при малых токах, связанная с туннельной излучательной рекомбинацией электронов и дырок в активном слое 1п6а(^.

• Установлено, что распределение зарядов в гетероструктурах включает в себя не только области пространственного заряда, но и компенсированные квази-нейтральные слои и заряженные стенки на гетерограницах, что обусловливает наличие в структурах сильных электрических полей в активном слое - квантовой яме 1пСа№

• Предложена методика измерения абсолютной мощности и внешнего квантового выхода СД на основе гетроструктур 1пСаЫ/АЮаЫ/СаЫ с помощью

фотопреобразователей (ФП) из аморфного кремния. Обнаружен максимум квантового выхода при малых токах.

Защищаемые положения:

• Спектры электролюминесценции СД на основе многослойных гетероструктур 1пхСа1-хМ/А1уСа1.уМ/СаМ определяются излучательной рекомбинацией в тонком активном слое - квантовой яме - (Пхба^Ы; они имеют максимумы в видимой области от фиолетовой до зеленой части спектра в зависимости от содержания 1п в активном слое. Форма основной спектральной полосы описывается моделью рекомбинации в двумерной квантовой яме с учетом экспоненциального спада хвоста приведенной плотности состояний, обусловленного флуктациями потенциала. В спектрах диодов проявляется структура, обусловленная отражением излучения от подложкиг 'и интерференцией в слое ва!^.

• Спектры в области На = 2.1 + 2.5 эВ, наблюдаемые при малых токах ^ < 0.2 мА) в излучении голубых СД из структур 1п6аМ/А!СаМСаМ с тонкой областью пространственного заряда, обусловлены туннельной излучательной рекомбинацией электронов и дырок в активном слое 1пСаЫ. Модель диагонального туннелирования - излучения в сильном электрическом поле -качественно описывает спектры и их изменение с изменением напряжения на структуре. Большое электрическое поле в квантовой яме, до (4+6)х106 В/см, обусловлено распределением зарядов в этих структурах, которое включает не только области пространственного заряда, но и компенсированные квазинейтральные слои и заряженные стенки на гетерограницах.

• В голубых СД на основе р-п гетероструктур из 1п6аЫ/АЮаЫ/СаЫ обнаружена пробойная люминесценция при обратных напряжениях |е\/| = 11+12 эВ « ЗЕд, достаточных для ударной ионизации; интенсивность излучения на 6+7 порядков меньше интенсивности инжекционной люминесценции. В активном слое lnGaN гетероструктур 1п6а№А1ваМ/СаМ при обратных смещениях создается сильное поле - до 107 В/см; в прилегающих слоях поля достигают (2 + 4)х106 В/см.

• Показано, что спектральные характеристики двухкаскадных ФП из а-вг.Н согласованы со спектрами электролюминесценции голубых и зеленых СД и могут быть применены для измерений мощности и квантового выхода их излучения. СД на основе СаЫ и ФП из а-ЭкН образуют согласованные оптоэлектронные пары, которые могут найти применения, аналогичные оптронам СаАз/вТ Обнаружен максимум квантового выхода в области токов - 1 мА.

• Зависимость интенсивности излучения от тока и напряжения при прямых смещениях имеет три участка: при малых токах существенна туннельная компонента; в промежуточной области квантовый выход максимален; в области больших токов существенен нагрев диодов.

Апробация работы: По результатам проведенных исследований опубликованы девять статей [3,6,7,9,11,13,14,17,18]; сделано восемь докладов на международных [1,2,4,5,8,10,12,15] и один на Всероссийской [16] конференциях, тезисы опубликованы в материалах конференций.

Структура диссертации: Работа состоит из 102 страниц, включающих 92 страницы текста, 31 рисунок, 6 таблиц, 84 ссылки на литературу. Она разделена на введение, 5 глав, выводы и список литературы.

Глава ). ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО СВОЙСТВАМ GaN.

Эта глава содержит обзор литературы по исследованиям оптических свойств и излучательной рекомбинации в GaN и структурах на его основе.

Соединения GaN, AIN и InN, выращенные на (0001)-ориентированной сапфировой подложке методом эпитаксии из металпо-органических соединений, образуют кристаллическую структуру типа вюрцита. Нелегированные эпитаксиальные пленки GaN в общем случае обладают проводимостью n-типа с концентрацией свободных носителей 1017 1019 см"3 при комнатной температуре. GaN со структурой типа вюрцита - прямозонный полупроводник с энергией запрещенной зоны Ед=3.50 эВ (при гелиевых температурах). Температурная зависимость ширины запрещенной зоны GaN описывается эмпирической формулой Варшни:

Ед(Т) = Ед(0)-(аТ2/(Т+р)), где а и р для нитрида галлия равны: а = 7.2 х 10"4 эВ х К"1; р = G = 600 К..

AIN является материалом отрицательного электронного свойства. Это значит, что зона проводимости AIN лежит выше вакуумного уровня энергии. Поэтому, AIN может быть использован в качестве эффективного эмиттера электронов. Величина разрыва валентных зон у AIN и GaN составляет (0.8±0.3)эВ, a GaN и InN приблизительно соствляет 0.5 эВ.

Из экспериментов по циклотронному резонансу была определена эффективная масса электрона, которая оказалась равной m*=(0.220±0.005)m0.

Энергия связи доноров выражается в виде Е0=13.58-т*/ ёц (эВ), где ео-статическая диэлектрическая проницаемость. Из вычислений, проведенных по спектрам отражения свободных экситонов, было получено значение для Ео, равное 9.7. Энергия связи доноров, вычисленная по приведенной формуле, равна Ес=31.7 мэВ. Для различных доноров, при учете химических сдвигов, энергия связи электронов на мелких донорах имеет значения приблизительно между 31.7 и 38 мэВ.

Глава II. СПЕКТРЫ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ГОЛУБЫХ И ЗЕЛЕНЫХ СВЕТОДИОДОВ НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР 1пСа1Ч/А1СаМ/СаМ С ОДИНОЧНЫМИ КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ.

Описана методика эксперимента, экспериментальная установка и измеряемые образцы. В процессе работы было исследовано десять образцов: пять голубых и пять зеленых светодиодов 1пОаМ/АЮаМ/Са1^ с тонким активным слоем 1пхСа<|.хМ. Структуры были выращены в фирме ЫюЫа методом МОС-гидридной эпитаксии на (0001) сапфировой подложке. Это была опытная партия до выхода фирмы №сЫа на промышленное производство данных СД (январь 1996 года). Кроме того были исследованы четыре (два голубых и два зеленых) образца на основе тех же гетеростуктур, купленных в апреле 1996 года у фирмы МсЫа Научно-Производственной Внедренческой Фирмой "Свеча" (г.Зеленоград) для производства светофоров в Москве и переданных для исследования в МГУ в начале июня 1996 года.

Структура светодиодов. На сапфировой подложке, после буферного слоя ЭаЫ (=300 ангстрем), был выращен сравнительно толстый (= 4+5 мкм)

базовый слой п-Са№5!, который необходим для инжекции электронов (барьер для дырок) и для согласования решетки подложки с активным слоем. Активным слоем является тонкий (=20+30 ангстрем) нелегированный слой 1пхСа1.,1^. Длина волны в максимуме спектра изменяется от фиолетовой до зеленой области, если состав активного слоя х меняется в пределах х=0.2+0.4; она зависит также от толщины слоя. о..

Затем идет барьерный слой р-А10.1Са0.эМ:Мд (=1000 ангстрем), инжектирующий дырки (барьер для электронов), а затем - слой р-ваЫ:Мд (=0.5 мкм), согласующий решетку с верхним слоем. На него нанесен металлический контакт М-Аи. Металлический контакт Т1-А1 к нижнему слою n-GaN создан после стравливания части структуры. Площадь кристалла 5=350x350 мкм2.

Кристалл закрыт сверху пластиковым колпачком, который выполняет функцию фокусирующей линзы. Данный колпачок позволяет собирать и выводить излучения, идущее целиком со всего кристалла. Фокусирующее действие данного колпачка позволяет получить диаграмму направленности с угловой расходимостью ~ 14° + 17° для голубых и - 30° -!- 35° для зеленых СД. Измерения углового распределения излучения проводились в НПВФ "Свеча". Фокусирующий колпачок-линза позволяет производить фокусировку на коллиматор спектрального комплекса без дополнительных оптических приборов: линз и диафрагм.

В Главе II проведены исследования основной спектральной полосы излучения - инжекционной люминесценции - в широком диапазоне изменений .1; проведен подробный анализ особенностей спектров. Эти особенности представляют интерес для понимания механизмов излучательной рекомбинации и факторов, влияющих на квантовый выход излучения в

гетероструктурах 1п6а№АЮаМ/СаЫ. Исследованы спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе гетероструктур 1ПхСа1-х№/А1уСа1-уЫ/СаЫ с тонким (2+Знм) активным слоем 1пхСа1.хМ в интервале температур 100+300 К и интервале токов J=0.01+20 мА. Спектры голубых светодиодов имеют максимумы в интервале !)Шь,ах=2.55+2.75 зВ, зеленых - Г}Шь,ах =2.38+2.50 эВ,- в зависимости от содержания 1п в активном слое. Спектральная интенсивность основной полосы экспоненциально падает в длинноволновой области с энергией в показателе Е0=45+70 мэВ; это описывается моделью, учитывающей хвосты плотности состояний в двумерной активной области и степени их заполнения вблизи краев зон. В структурах с тонким активным слоем существенны квантово-размерные и туннельные эффекты, флуктуации потенциала в квантовых ямах и легирование прилегающих широкозонных областей. Обсуждается модель энергетической диаграммы гетероструктур.

Эффективная ширина запрещенной зоны в активном слое Ед* равна Ед" = Ед(х,Т) + ЛЕ1с + ДЕ1у + ДЕр - Еехс - ДЕ0 л где Ед(х,Т) - ширина запрещенной зоны в слое, ЛЕ1С, ДЕ^ - уровни размерного квантования в квантовых ямах зон проводимости и валентной, ДЕр - изменение Ед вследствие деформаций из-за различия постоянных решетки в слоях гетероструктуры, Еехс - энергия связи двумерного экситона, ДЕС д - сдвиги краев эффективной запрещенной зоны, обусловленные потенциалом доноров и акцепторов. Для расчетов надо знать зависимости Ед*(х, Т), тс,у (х, Т), зависимости ДЕ1с, ДЕ1У от разрывов зон ДЕСЛ на обеих гетерограницах и от толщины активного слоя (1.

Ширина запрещенной зоны для InxGa^N была рассчитана по формуле:

Eg(x) = х-Ед (InN) + (1 - x)Eg(GaN) - Ь-х-(1 - х), где Eg(lnN)=1.95 эВ, Eg(GaN)=3.40 эВ, b=1 эВ

Получены следующие значения Egi (lno.2Gao.8N)=2.95 эВ ± 0.06 зВ; Egi (ln3 4Gao.eN)=2.58 зВ ± 0.05 эВ.

Первые уровни размерного квантования в квантовой яме были оценены с учетом предположения Ш. Накамуры о соотношении разрывов зон ДЕС,У на обеих гетерограницах ДЕС=2ДЕУ. Форма ямы считается прямоугольной, исходя из предположения о полной компенсации внутренних электрических полей внешним смещением при инжекции носителей.

Глава III. ТУННЕЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ В СВЕТОДИОДАХ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР InGaN/AiGaN/GaN С ОДИНОЧНЫМИ КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ.

Описан и анализ спектров ЭЛ при малых значениях тока J - туннельная рекомбинация - в голубых СД. Исследованы туннельные эффекты в спектрах люминесценции и электрических свойствах голубых светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AIGaN/GaN. Туннельное излучение в области Tico = 2.1 + 2.4 эВ преобладает при малых токах (< 0.2 мА), его роль растет по мере сдвига максимума основной голубой полосы в коротковолновую область. Положение максимума fjcw приблизительно пропорционально напряжению ell. Форма и интенсивность полосы описываются теорией туннельного излучения. Вольт-амперные характеристики при малых прямых токах имеют компоненту с показателем Ej = 130 + 140 мэВ. Распределение электрически активных

центров выявляет протяженные компенсированные слои в п- и р- областях, прилегающих к активному слою и указывает на наличие заряженных стенок на границах гетеропереходов. В активной области 1пСаЫ существенно сильное электрическое поле - Е = 6И06 В/см. При увеличении прямого напряжения, начиная со значений и = Д^ = 2.0 + 2.2 В, это поле уменьшается, но еще преобладает туннельная компонента тока (см. Рисунок 1а). Когда напряжение увеличивается до значений и ~ Д\Л + ДУ,П = 2.4 2.6 эВ, преобладает инжекционная компонента (см. Рисунок 16).

ПРЯМОЕ СМЕЩЕНИЕ

Режим туннельного диагонального механизма

Режим инжекционного механизма

Л

Рисунок 1. Энергетическая диаграмма гетероструктуры при прямых смещениях; а) туннёлирование; б) инжекция .

Глава IV. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ р-п ГЕТЕРОСТРУКТУР 1пСаЫ/АЮаМ/СаМ С ОДИНОЧНЫМИ КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ ПРИ УДАРНОЙ ИОНИЗАЦИИ.

Проведены исследования СД при обратных смещениях напряжения -люминесценции при ионизационном пробое - в голубых СД. Исследованы спектры р-п гетероструктур 1п6аМ/АЮаЖваЫ при обратном смещении, достаточном для ударной ионизации. В активном слое lnGaN гетероструктур существует сильное электрическое поле, и при малом обратном смещении преобладает туннельная составляющая тока. Лавинный пробой начинается при напряжениях = 8 + 10 В, т.е. = ЗЕд, в отличие от слабо легированных

структур. Спектры излучения имеют коротковолновый край, соответствующий ширине запрещенной зоны GaN (3.40 эВ), и максимумы в области 2.60-5-2.80 эВ, соответствующие максимумам спектров инжекционной люминесценции в активном слое. Широкий максимум в области - 2.2 + 2.3 эВ соответствует так называемой "желтой полосе" в нитриде галлия, связанной со свечением дефектов. Эта полоса известна из литературы. Длинноволновый край спектров в области 1.7 - 1.8 эВ может быть связан с глубокими уровнями рекомбинации. Основная часть ВАХ может быть аппроксимирована двумя экспонентами:

>1~ехр(|е\/| /ЕД

с параметрами Ej , изменяющимися вблизи |У| = 5+7 В в диапазоне 0.8+0.9 эВ. Экстремум между л- и М-точками составляет 5.5 эВ, а в Г-точке - 5.6 эВ. Можно предположить, что изменения наклонов ВАХ при |\/| = 5+6 В связаны с вероятностью попадания электронов в экстремумы в точке Г с большими эффективными массами; переходы в непрямые экстремумы менее вероятны (см. Рисунок 2). Однако, это лишь является предположением. На самом деле проблема горячих электронов в ОаЫ еще далека от ясности.

Б

Энергия, зВ

о

-5

5 О -5

Рисунок 2. Зонная структура 6аЫ, расчитанная к-р методом.

Глава У. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ И ВНЕШНЕГО БАЙТОВОГО ВЫХОДА ИЗЛУЧЕНИЯ ГОЛУБЫХ И ЗЕЛЕНЫХ СВЕТОДИОДОВ НА ОСНОВЕ 1пСа№АЮаМ/СаЫ ГЕТЕРОСТРУКТУР С ПОМОЩЬЮ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИЗ АМОРФНОГО КРЕМНИЯ.

Предложена методика и описаны измерения внешнего квантового выхода и абсолютной мощности излучения голубых и зеленых СД на основе 1пСа№АЮаМ/ОаЫ гетероструктур с помощью фотопреобразователей (ФП) из аморфного гидрогенизированного кремния (а-ЭЬН). Спектральная чувствительность ФП с двумя последовательными рч-п- структурами из а-8кН слабо зависит от длины волны в интервале, соответствующем излучению СД на основе многослойных гетероструктур 1пхОа1.хЫ/А1уСа1.уМ/СаЫ с тонким (25-30 ангстрем) активным слоем 1пхСа-|.хЫ [3,4,6,7]. Коэффициент передачи

-3

по току в паре светодиод-фотоприемник изменяется в пределах (1.5+25) х 10 и зависит от отношения площади фотоприемника к площади светового пятна. Мощность излучения СД в постоянном режиме при комнатной температуре и

..............

N. У __________- Ъ

токе 20 мА изменяется в пределах 0.4 -s- 2.1 мВт, что контролировалось измерениями с помощью калориметрического измерителя мощности. Квантовый выход излучения т)е имеет максимум в зависимости от тока; максимум расположен в области токов -1 мА. Значение Т|е в максимуме изменяется в пределах от 3% для голубых до 9% для зеленых СД. СД на основе GaN и ФП из a-Si:H образуют согласованные по спектру оптоэлектронные пары в голубой и зеленой области спектра. Калиброванные по мощности СД могут служить для контроля чувствительности ФП.

Выводы.

1. Спектры люминесценции светодиодов на основе гетроструктур с квантовыми ямами lnxGa1.xN/AlyGa1-yN/GaN с тонким активным слоем 1пхСа<|.хМ имеют максимумы в видимой области от фиолетовой до зеленой части спектра в зависимости от содержания !п в активном слое, экспоненциально спадающие в коротковолновой части: энергия в показателе экспоненты ~ кТ, в длинноволновой части: параметр в показателе экспоненты имеет значения в интервале Е0=45 70 мэВ, что характеризует флуктуации потенциала, обусловленные различными причинами: различной концентрацией 1п в гетероструктурах, деформациями, размерами квантовых ям и полями примесей. Форма основной спектральной полосы описывается моделью рекомбинации в двумерной квантовой яме с учетом экспоненциального спада хвоста приведенной плотности состояний, обусловленного флуктациями потенциала. В спектрах диодов проявляется структура, обусловленная отражением излучения от подложки и интерференцией в слое ваЫ.

2. Спектры излучения в области йю = 2.1 2.5 эВ, наблюдаемые впервые при малых токах < 0.2 мА) в голубых светодиодах из структур lnGaN/AIGaN/GaN с тонкой областью пространственного заряда, обусловлены туннельной излучательной рекомбинацией электронов и дырок в активном слое 1пСаМ. Предложенная энергетическая диаграмма описывает люминесцентные и электрические свойства светодиодов из гетероструктур 1пСаК1/АЮаМЛЗаМ. Модель диагонального туннелирования в сильном электрическом попе качественно описывает спектры и их изменение с изменением напряжения

на структуре. Большое электрическое поле в квантовой яме, до (4+6)х106 В/см, обусловлено распределением зарядов в этих структурах. Данное распределение включает не только области пространственного заряда, но и компенсированные квази-нейтральные слои и заряженные стенки на гетерограницах.

3. В голубых СД на основе р-п гетероструктур из lnGaN/AIGaN/GaN обнаружена пробойная люминесценция при обратных напряжениях |е\/| = 11+12 эВ » ЗЕа, достаточных для ударной ионизации; интенсивность излучения на 6+7 порядков меньше интенсивности инжекционной люминесценции. В активном слое 1пСаЫ гетероструктур 1пСаМ/АЮаМ/СаМ при обратных смещениях создается сильное - до 107 В/см - электрическое поле; в прилегающих слоях поля достигают (2 + 4) х 106 В/см. При обратном смещении, меньшем 10 В, преобладает туннельная составляющая тока; туннелирование электронов вызывает ударную ионизацию при смещении = ЗЕд. Особые точки вольт-амперных характеристик вблизи -(5+6) В обусловлены переходами электронов в вышележащие экстремумы зоны проводимости ва!^.

4. Показано, что спектральные характеристики двухкаскадных ФП из а-8|:Н согласованы со спектрами электролюминесценции голубых и зеленых СД и могут быть применены для измерений мощности и квантового выхода их излучения. СД на основе ваМ и ФП из а-ЭИН образуют согласованные оптоэлектронные пары, которые могут найти применения, аналогичные оптронам ОаАз/Эг Обнаружен максимум квантового выхода в области токов ~ 1 мА.

5. Зависимость интенсивности излучения от тока и напряжения имеет три участка: при малых токах в голубых диодах существенна туннельная безызлучательная компонента тока; в промежуточной области токов и

напряжений U (ймщах s eU< Eg*), зависящей от содержания In в активном слое, квантовый выход излучения максимален, при больших токах существенен нагрев диодов и квантовый выход падает.

Основные результаты диссертации вошли в следующие печатные работы:

1. K.G.Zolina, V.E.Kudryashov, A.N.Turkin, A.E.Yunovich, S.Nakamura.

Luminescence Spectra of Superbright Blue and Green InGaN/AIGaN/GaN Light-Emiiting Diodes. Abstr. of The Intern. Symposium on Nitrides, May 1996, Saint-Malo, France, Abstr. A31.

2. K.G.Zolina, V.E.Kudryashov, A.N.Turkin, A.E.Yunovich, S.Nakamura.

Luminescence Spectra of Superbright Blue and Green InGaN/AIGaN/GaN Light-Emitting Diodes. Abstracts of The First European GaN Workshop, 2-4 June 1996, Rigi, Switzerland, p.47.

3. K.G.Zolina, V.E.Kudryashov, A.N.Turkin, A.E.Yunovich, S.Nakamura.

Luminescence Spectra of Superbright Blue and Green InGaN/AIGaN/GaN Light-Emitting Diodes. MRS Intern. Journ.of Nitride Semic. Res., 1996,1/11.

4. A.N.Kovalev, V.E.Kudryashov, F.I.Manyachin, A.N.Turkin, K.Zolina, A.E.Yunovich.

Electrical properties and luminescent spectra of InGaN/AIGaN/GaN Light-Emitting Diodes. Abstr. of 23rd Int. Symp. Semic. Сотр., ISCS-23, S.Petersburg, 1996, Abstr. 03.P3.04.

5. A.E.Yunovich, A.N.Kovalev, V.E.Kudryashov, F.I.Manyachin, A.N.Turkin,

K.G.Zolina. Tunnel Effects in Luminescence Spectra of InGaN/AIGaN/GaN Light-Emitting Diodes. Abstracts of Mat. Res. Soc. 1996 Fall Meeting, Boston, Dec. 1996, Symp. N,N9-37.

6. A.E.Yunovich, A.N.Kovalev, V.E.Kudryashov, F.I.Manyachin, A.N.Turkin,

K.G.Zolina. Tunnel Effects in Luminescence Spectra of InGaN/AIGaN/GaN Light-Emitting Diodes. MRS Symp. Proc. Vol.449, pp.1167-1172.

7. А.Н.Туркин, А.Э.Юнович. Измерения мощности излучения голубых и зеленых

InGaN/AIGaN/GaN светодиодов с помощбю фотопреобразователей из аморфного кремния. Письма в ЖТФ, том 22, вып. 23, стр. 82-86,1996.

8. A.N.Kovalev,F.I.Manyachin,V.E.KudryashovAN.Turkin,A.E.Yunovich. Avalanche

Breakdown Luminescence of InGaN/AIGaN/GaN Light-Emitting Diodes. Abstracts of The Second European GaN Workshop, 11-13 June 1996, Valbonne, France, Thursday, 11.10.

9. A.N.Kovalev,F.I.Manyachin,V.E.Kudryashov,A.N.Turkin .A.E.Yunovich. Avalanche

Breakdown Luminescence of InGaN/AIGaN/GaN Light-Emitting Diodes. MRS Intern. Journ.of Nitride Semic. Res., 1997,2/11.

10. A.E.Yunovich, V.E.Kudryashov, A.N.Turkin, K.G.Zolina, A.N.Kovalev,

F.I.Manyachin. Mechanism of electroluminescence in InGaN/AIGaN/GaN heterojunctions with quantum wells. Abstr. of the Meeting of Electrochem. Soc., paris, Sept. 1997, Abstr. № 1837, p.2110.

11. К.Г.Золина, В.Е.Кудряшов, А.Н.Туркин, А.Э.Юнович. Спектры

люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе многослойных гетероструктур InGaN/AIGaN/GaN с квантовыми ямами. ФТП, 1997, том 31, N9, стр.1055-1061.

12. A.N.Kovalev, V.E.Kudryashov, F.I.Manyachin, A.N.Turkin, A.E.Yunovich. Aging

of InGaN/AIGaN/GaN Light-Emittings Diodes. Abstracts of MRS Meeting, Oct. 1997, Tokushima, Japan, Abst. P1-6.

13. А.Н.Ковалев, В.Е.Кудряшов.Ф.И.Маняхин, А.Н.Туркин, К.Г.Золина,

А.Э.Юнович. Туннельные эффекты в светодиодах на основе гетероструктур InGaN/AIGaN/GaN с квантовыми ямами. ФТП, 1997, том 31, N11, стр. 1304-1309.

14. K.G.Zolina, V.E.Kudryashov, A.N.Turkin, A.E.Yunovich, S.Nakamura.

Luminescence Spectra of Superbright Blue and Green InGaN/AIGaN/GaN Light-Emittings Diodes. Ref.-Rep. of the Journal of the European Ceramic Society, Vol. 17, Nos. 15-16, 1997.

15. A.N.Kovalev, V.E.Kudryashov, F.I.Manyachin, A.N.Turkin, A.E.Yunovich. Aging

of InGaN/AIGaN/GaN Light-Emittings Diodes. Abstracts of Wat. Res. Soc. 1997 Fall Meeting, Boston, Dec. 1997, Abstr. N D17.3., p.139.

16. А.Н.Ковалев, Ф.И.Маняхин, В.Е.Кудряшов, А.Н.Туркин, А.Э.Юнович.

Энергетическая диаграмма и изменения свойств светодиодов из InGaN/AIGaN/GaN при длительной работе. Тезисы докладов III Российской конференции по физике полупроводников "Полупроводники'97", Декабрь 1997, Москва, ФИАН.

17. A.E.Yunovich, A.N.Kovalev, V.E.Kudryashov, A.N.Turkin, K.G.Zolina,

A.N.Kovalev, F.I.Manyachin. Mechanism of electroluminescence in InGaN/AIGaN/GaN heterojuncticns with quantum wells. Proc.of the Second Symposium on lll-V Nitride Materials and Processes, Vol.98-02 Electrochem. Soc., Pennington, NJ, 1998, pp. 83-102.

18. А.Н.Ковалев, Ф.И.Маняхин, В.Е.Кудряшов, А.Н.Туркин, А.Э.Юнович.

Электролюминесценция гетероструктур InGaN/AIGaN/GaN при ионизационном пробое. ФТП, 1998, том 32, N1, стр.63-67.