Особенности развития деградации внешней квантовой эффективности мощных синих светодиодов на основе квантоворазмерных InGaN/GaN структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Черняков Антон Евгеньевич

Особенности развития деградации внешней квантовой эффективности мощных синих светодиодов на основе квантоворазмерных 1пСтаЫ/ОаЫ структур.

01.04.10 - физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005549631 5 !;;он 20Н

Санкт-Петербург 2014

005549631

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Шмидт Наталия Михайловна, ведущий научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор, Вывенко Олег Федорович, Санкт-Петербургский государственный университет

кандидат технических наук Никифоров Сергей Григорьевич, зав. лабораторией ООО «Архилайт»(г.Москва)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение, науки Институт физики микроструктур Российской академии наук (г. Нижний Новгород)

Защита состоится «19» июня 2014 г. в 11 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 002.205.02 при Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе по адресу: 194021 Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук. Автореферат разослан «15» мая 2014 года. Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.205.02 доктор физико-математических наук, профессор „ Л.М, Сорокин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Конец первого десятилетия 21-го века ознаменовался развитием в разных странах мира амбициозных программ по созданию твердотельного энергосберегающего освещения на основе мощных синих 1пСаЫ/СаМ светодиодов с люминофорным покрытием. В настоящее время серийные светодиоды имеют светоотдачу 160-200 лм/Вт, а рекордные лабораторные образцы достигли 303 лм/Вт, что приближается к теоретическому пределу (350 лм/Вт) [1]. Таким образом, светодиоды в несколько раз превысили светоотдачу лучших ламп, однако заметно проигрывают последним по стоимости. Снижение стоимости упирается не только в решение технических задач, но и в фундаментальные физические проблемы такие как: падение внешней квантовой эффективности светодиодов на основе квантоворазмерных 1пОаК/ОаИ структур при возрастании плотности тока более 10 А/см2, немонотонное изменение внешней квантовой эффективности (оптической мощности) в первые несколько тысяч часов старения светодиодов и катастрофический выход из строя за короткие времена части светодиодов, не отличающихся по основным параметрам, от остальных с большим, до 105 сроком службы. Эти эффекты значительно повышают стоимость генерируемого света ($/лм), что может привести к нерентабельности перехода на твердотельное освещение. Природа этих явлений интенсивно изучается мировым научным сообществом на протяжении двух десятилетий, однако остается далеко не до конца выясненной, а общепринятые модели отсутствуют до сих пор. Более того, согласно данным, приведенным в обзоре [2] механизмы дефектообразования под действием инжекционного тока, приводящие к катастрофическому выходу из строя светодиодов, характер взаимосвязи деградации оптической мощности с изменением свойств дефектной системы остаются не выясненными. По-прежнему остается предметом дискуссий вопрос о том, какие дефекты генерируются в процессе старения и преимущественно в каких областях. Представляется, что одной из причин осложняющей понимание особенностей

развития деградации внешней квантовой эффективности (ВКЭ) 1пОаЫ/ОаЫ структур, может быть сложный характер организации наноматериала, формирующийся в неравновесных условиях самоорганизации, приводящий к образованию локальных разно-размерных, от нескольких нанометров до микрон, неоднородностей состава твердого раствора, и системы протяженных дефектов, пронизывающей светоизлучающую структуру. Результаты исследований, приведенные в ряде работ [3] [4], свидетельствуют о фрактальной природе А3Ы материалов и проявлениях нелинейных свойств. К началу выполнения данной работы роль этих особенностей в развитии деградации внешней квантовой эффективности при старении мощных синих светодиодов на основе квантоворазмерных ГгЮаМ/ОаЫ структур практически не была изучена.

Основные цели и задачи данной работы:

• Разработка комплекса методов, позволяющего реализовать новый подход в изучение деградации внешней квантовой эффективности (ВКЭ), учитывающий сложный характер организации наноматериала мощных синих светодиодов на основе квантоворазмерных 1пОаЫ/СаЫ структур;

• Выяснение основных закономерностей снижения значений ВКЭ этих светодиодов при старении, и механизмов ответственных за этот процесс;

• Выяснение взаимосвязи деградации ВКЭ светодиодов с изменением свойств системы протяженных дефектов и разно-размерных неоднородностей состава твердого раствора по индию.

Научная новизна работы заключается в том, что предложен новый подход к изучению процесса деградации ВКЭ светодиодов, учитывающий сложный характер организации разно-размерных неоднородностей состава твердого раствора 1пОаК и присутствие квазиомических шунтов, локализованных в системе протяженных дефектов, т.е. фрактальную природу наноматериала. Предложенный подход и количественная классификации разных форм организации наноматериала квантоворазмерных 1пСаЫ/ОаЫ структур с помощью параметра, характеризующего степень разупорядоченности

наноматериала (Др), позволил выяснить основные закономерности развития деградации ВКЭ этих светодиодов. Выяснено, что дефектообразование под действием инжекционного тока развивается, преимущественно, в двух каналах: в проводящих квазиомических шунтах, локализованных в системе протяженных дефектов, и в локальных областях с неравновесным составом твердого раствора с повышенным содержанием индия. Показано, что в этих каналах существуют все необходимые условия для реализации деградации ВКЭ по механизму Голда-Вайсберга: высокая плотность неравновесных носителей до 1000А/см2, их многофононная рекомбинация на примесях, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне (в 1пОаЫ/СаЫ структурах - слабо связанные атомы индия и галлия в отдельных протяженных дефектах), вызывающая локальные перегревы и рекомбинационно — стимулированную миграцию и диффузию индия и галлия. Эти процессы порождают немонотонное изменение значений ВКЭ на промежуточных временных стадиях старения и приводят к значительному снижению концентрации неравновесных носителей, участвующих в излучателытой рекомбинации. Многообразие вариантов развития деградации ВКЭ синих светодиодов вызвано сложной комбинацией и чередованием процессов дефектообразования в этих двух каналах во времени. На финальной стадии деградации, на которой значения ВКЭ уменьшаются на 30% относительно исходных значений, как правило, оба канала действуют одновременно. Неоднозначная связь между излучательной и безызлучателыюй рекомбинацией в первые 5000 часов вызвана тем, что области, в которых происходят эти процессы, пространственно разнесены. Показано, что изучение в процессе старения эволюции прямой и обратной ветвей ВАХ при смещениях менее 2 В мощных синих светодиодов позволяет разделить вклад каждого из каналов в процесс дефектообразования. Катастрофические отказы светодиодов вызваны в первую очередь процессами дефектообразования в локальных областях с неравновесным по индию составом твердого раствора 1пОаЫ.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработан метод контроля распределения температуры по площади светодиода, позволяющий разделить вклад в формирование областей перегрева периферии светодиода, неоптималыюй геометрии контактных площадок, дефектов сборки и локальных областей перегрева, связанных со свойствами наноматериала светоизлучающих структур; предложен комплекс методов, позволяющий выяснить вклад характера организации наноматериала светоизлучающих структур в скорость развития деградации ВКЭ светодиодов; показано, что для увеличения срока службы необходимо улучшать характер организации наноматериала, разработать режимы роста твердых растворов с минимальным содержание локальных областей с существенно неравновесным (нерегулярным) составом твердого раствора, избегать галлий и индий обогащенных режимов роста; предложен метод выявления наиболее ненадежных, склонных к катастрофическим отказам, светодиодов, по уровню токов утечки и появлению локальных областей с пониженным барьером на прямой ветви ВАХ при смещениях менее 2 В. При этом наиболее ненадежные светодиоды по найденным критериям могут быть выявлены до проведения старения и сборки. Основные положения, выносимые на защиту

1. Для всех светодиодов, независимо от фирмы изготовителя, дизайна активной области, а также характера организации наноматериала, снижение внешней квантовой эффективности на 30% и более, относительно исходных значений, в процессе старения (финальная стадия) вызвано ростом проводимости на порядки квазиомических шунтов, локализованных в системе протяженных дефектов.

2. На финальной стадии в квазиомических шунтах локальная плотность тока превышает 1000 А/см2, вызывая перегрев и усиление дефектообразования по механизму Голда-Вайсберга, сопровождающееся миграцией и диффузией индия и галлия вдоль протяженных дефектов.

3. Скорость развития процесса деградации внешней квантовой эффективности определяется индивидуальными свойствами 1пОаМ/ОаЫ

светодиодов. Развитие этого процесса, в течение нескольких часов, типично для светодиодов с высокой степенью разупорядоченности наноматериала.

4. Развитие процесса деградации внешней квантовой эффективности во временном интервале от 10 до нескольких тысяч часов, типично для светодиодов с хорошо упорядоченным наноматериалом, но с присутствием локальных областей с существенно неравновесным составом твердого раствора InGaN. При этом общая площадь таких локальных областей на несколько порядков меньше площади всего светоднода.

5. Контроль эволюции прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики светодиодов при смещениях менее 2В на разных временных стадиях старения позволяет разделить процессы дефектообразования, локализованные в системе протяженных дефектов и в разЕЮ-размерных неоднородностях твердого раствора, а также выявить наиболее ненадежные светодиоды без долговременных испытаний.

Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались на Российских и Международных конференциях: BIAMS 2008, Toledo (Spain), June , 2008.

16 International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St.-Petersburg, December, 2008.

Всероссийская конференция по физике полупроводников «Полупроводники 2009», г. Томск, сентябрь 2009.

Международная конференция по дефектам, Санкт-Петербург, июль 2009. 2-ая Всероссийская конференция «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях», Москва, май 2009.

7-ая Всероссийская конференция «Нитрид Галлия, Индия и Алюминия-структуры и приборы», Москва, февраль, 2010.

8-ая Всероссийская конференция «Нитрид Галлия, Индия и Алюминия-структуры н приборы», Санкт-Петербург, июнь 2011.

23rd European Symposium on the Reliability of electron devices, failure physics and analysis, Cagliari (Italy), October,2012.

4 International Symposium on Growth of Ill-Nitrides,St.-Petersburg, Russia,July, 2012

9-ая Всероссийская конференция «Нитрид Галлия, Индия и Алюминия-структуры и приборы», Санкт-Петербург, июнь 2013. 17lh International Conference on Crystal Growth and Epitaxy, Warsaw (Poland), August,2013.

14th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, 2013. 22 International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St.-Petersburg, June, 2014.

15th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, 2014.

Публикации Основные результаты работы опубликованы в 15 печатных работах, из них 12 научные статьи в реферируемых журналах и тезисы в материалах конференций - 3.

Структура и объем диссертации диссертация состоит нз введения, четырех глав и заключения, изложенных на 157 страницах машинописного текста. Диссертация включает также 49 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 85 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит анализ результатов деградации внешней квантовой эффективности (ВКЭ) мощных синих InGaN/GaN светодиодов (т.е. снижение значений ВКЭ на 30% при старении относительно исходного значения) и

закономерностей развития этого процесса, опубликованных к началу выполнения работы (до 2006 года) [5] [6]. Отмечается, что наряду с традиционным постепенным снижением излучаемой мощности, в первые, 1000-5000 часов работы 1пСаМЛЗаК светодиодов, наблюдается волнообразное изменение значений ВКЭ с катастрофическим падением ВКЭ, вплоть до нулевых значений на части светодиодов [1] [2]. В работах этих лет предложено несколько механизмов, отвечающих за деградацию ВКЭ при старении [5] [6]. Один из основных механизмов предложен в [5]. В основе механизма лежит подпороговое дефектообразование, при взаимодействии горячих электронов с атомами кристаллической решетки, и передачи им энергии ~ 4эВ, достаточной для разрыва связей Оа-Ы, а также комплексов Мд-П, как в области дислокаций, так и в области р-п перехода. Горячие носители заряда образуются в области разрыва краев зон гетероперехода, и в дрейфовом поле компенсированного слоя. Сложный характер развития деградации ВКЭ светодиодов объясняется участием конкурирующих процессов: активации магния и образования вакансий азота. В более поздней работе [6] рассмотрен вклад в деградацию ВКЭ увеличения плотности состояний на гетерогранице, локальных изменений барьера в области шунтирующего канала, электромиграции водорода и трансформации водородосодержащих комплексов на межфазных и межзеренных границах герероструктуры. Все отмеченные механизмы могут вносить свою лепту в деградацию ВКЭ мощных синих светодиодов, однако, как показано в обзорной работе последних лет [2], до сих пор отсутствуют общепринятые модели, адекватно описывающие наблюдаемые особенности развития деградации ВКЭ. Кроме того, ни в одной из работ не обсуждалась роль сложного характера организации наноматериала светоизлучающих квантоворазмерных 1пС}аМ/ОаЫ структур и локальных разно-размерных неоднородностей на нано- и мезоскопическом уровне твердого раствора, а также специфики протяженных дефектов, в развитии деградации ВКЭ светодиодов. Между тем, хорошо известно, что система протяженных дефектов, включающая отдельные дислокации, их скопления, дислокационные

стенки на границах доменов, дилатационные границы, v-дефекты, создает дополнительные флуктуации потенциала краев зоны проводимости и валентной зоны, кроме того эти протяженные области, пронизывающие всю структуру с деформированными связями атомов решетки, как правило, обогащены металлической фазой. В связи с этим в этой же главе кратко рассматриваются известные экспериментальные данные о структурных особенностях светоизлучающих квантоворазмерных InGaN/GaN структур. Сложный характер организации наноматериала, существование которого предопределяется неравновесными условиями роста в присутствии больших рассогласований параметров решетки растущих слоев с подложкой и необходимостью формирования переходного зародышевого слоя [7]. Эти особенности порождают многообразие форм существования этого наноматериала и его нелинейные свойства. Исходя из фрактальной природы наноматериалов светоизлучающих структур, был сформулирован подход к изучению механизмов деградации ВКЭ светодиодов, основные цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведена характеристика исследованных в работе мощных синих светодиодов с длиной волны излучения 450-460 нм на основе светоизлучающих структур InGaN/GaN, выращенных отечественным производитем (ЗАО Светлана-Оптоэлектроника), фирмой Samsung, а также коммерческих светодиодов известных зарубежных фирм: Cree, SemiLEDs. Все светодиодные структуры выращены методом эпитаксии из металлорганических соединений. Большая часть светодиодов собрана по технологии флип-чип монтажа без линз в ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника». Площадь светодиодов составляла 980x980 мкм. Все исследованные светодиоды без линз имели значения внешней квантовой эффективности 30 - 50 % , при токах 5-10 мА, что соответствует современному мировому уровню. Кроме того, в этой главе кратко описаны традиционные методики исследования электрических, оптических свойств светодиодов, вольтамперных характеристик (ВАХ),

зависимостей внешней квантовой эффективности от плотности тока, спектров электролюминесценции, а также методики старения светодиодов. В третьей главе представлен комплекс методов, позволяющий реализовать новый подход в изучении деградации внешней квантовой эффективности, учитывающий сложный характер организации наноматериала светоизлучающих структур, т.е. проявления фрактальной природы АЗЫ наноматериалов. Этот комплекс включает: а) количественный контроль сложного характера организации наноматериала светоизлучающих структур с помощью мультифракталыюго параметра, характеризующего степень упорядоченности наноматериала [4][А1]; б) контроль неоднородности протекания тока и возникновения областей локального перегрева по результатам исследования зависимостей спектральной плотности низкочастотного шума и флуктуаций напряжения от плотности тока [А2,АЗ]; в) контроль распределения температуры по площади светодиодов с использованием как инфракрасной тепловизнонной микроскопии, так и компьютерного моделирования тепловых полей [А4-А7]. Метод позволил контролировать локальные области перегрева, связанные с дефектами сборки, с неоптнмалыюй геометрией контактов, с плохой защитой периферии светодиода и позволил убедиться в том, что максимальные перегревы наблюдаются в локальных областях светодиода. На Рис.1. [А4] приведено, экспериментально полученное распределение температур при протекании инжекционного тока плотностью ЗОА/см2 по площади светодиода с незащищенной периферией светодиода, подвергнутого старению, с уменьшенной, в результате старения, до 25% внешней квантовой эффективностью. Перегрев незащищенной периферии р-п перехода может достигать 25°С относительно центра поверхности светодиода. Однако такие перегревы не приводят к катастрофическим отказам, но препятствуют достижению сроков службы более 50000 часов. Более значительные перегревы, до 70°С и более, выявляются в локальных микронных областях Рис.1. В этой же главе кратко приведена методика количественного определения степени разупорядоченности наноматериала (Др)

светоизлучающих структур путем обработки математического множества,

Рис. 1. Распределение температуры по поверхности светодиода при плотности тока 35 А/см2 с уменьшенной до 25% внешней квантовой эффективностью после старения.

поверхности, полученному с помощью атомно-силовой микроскопии, методами мультифракталыюго анализа [8]. Показано, что рост значений мультифрактального параметра Др. отражающий ухудшение свойств системы протяженных дефектов, пронизывающей светодиодную структуру, коррелирует с увеличением на порядки токов утечки светодиодов при смещениях, менее 2В [А8]. При этом анализ прямой и обратной ветви при малых смещениях светодиодов с разным характером организации наноматериала указывает на формирование квазиомических шунтов, локализованных в системе протяженных дефектов [А1, А9-А12], а изучение зависимостей спектральной плотности низкочастотного шума от плотности тока выявило сложную динамику свойств шунтов с ростом концентрации неравновесных носителей [АЗ,А13]. Обнаруженная корреляция позволила контролировать характер организации наноматериала, не только по значениям степени упорядоченности светоизлучающих структур, но и по уровню токов утечки светодиодов, что обеспечило возможность классификации светодиодов, полученных на разных фирмах. Отмечено, что этот комплекс методов был использован, как при исследовании исходных 1пОаЫ/ ОаЫ светодиодов, так и после каждой временной стадии процесса старения. Использование комплекса методов позволяет выделить явления, обусловленные в большей мере свойствами материала и выяснить роль фрактальной природы наноматериала

соответствующего изображению

светоизлучающих структур в деградации внешней квантовой эффективности свето диодов.

В четвертой главе приведены результаты исследований, направленных на выяснение механизмов, приводящих к локальному развитию процесса деградации. Приведены результаты изучения эволюции В АХ, зависимостей внешней квантовой эффективности, спектральной плотности низкочастотного шума, дифференциального сопротивления от плотности тока на нескольких группах светодиодов, классифицированных по характеру организации паноматериала (или значениям токов утечки при напряжениях менее 2В), на разных временных стадиях старения, в том числе на финальной стадии деградации ВКЭ светодиодов, когда значения ВКЭ снижены на 30% и более, относительно значений, до старения [А8-А15]. Старение проводилось в одном из общепринятых режимов: плотность тока 35 А/см2, температура р-п перехода 100°С, длительность от 10 до нескольких тысяч часов, на части светодиодов более 10000 часов. Показано, что общим для всех светодиодов является немонотонное изменение значений ВКЭ при старении с типичным, известным по данным фирм [1] [9], небольшим повышением на несколько процентов значений ВКЭ, как правило, на начальной стадии старения, и небольшими волнообразными изменениями этих значений на последующих стадиях. При этом волнообразные изменения могут чередоваться на довольно больших временных периодах от сотен до нескольких тысяч часов с отсутствием существенных изменений ВКЭ. Причем даже в пределах одной группы светодиодов картина волнообразных изменений не повторяется. На большом количестве светодиодов от разных фирм производителей, с разным характером организации наноматериала (или разным уровнем токов утечки), выяснены общие закономерности финальной стадии старения. Они проиллюстрированы типичными примерами зависимостей ВКЭ от тока и ВАХ до и после деградации для двух типов светодиодов, отличающихся между собой по характеру организации наноматериала (уровню токов утечки) Рис.2. Для всех исследованных светодиодов, общим является рост проводимости

квазиомических шунтов на несколько порядков, что хорошо видно по нарастанию величины токов почти симметричных ветвей ВАХ при смещениях менее 2В Рис.2, а, б, (кривые 3,4). При этом, рост проводимости

в г

Рис.2. Типичные ВАХ (а,б) и зависимости внешней квантовой эффективности от тока (в,г) до и после деградации двух светодиодов с разной степенью упорядоченности наноматериала: 0.340 (а,в); 0.350 (б,г). Прямая и обратная ветви, изображены в одном квадранте.

квазиомических шунтов коррелирует со сдвигом максимума зависимостей ВКЭ от плотности тока в область больших значений токов Рис.2, в, г (кривые2), и выявляет уход части инжектируемых носителей в квазиомические шунты, сопровождающийся снижением значений ВКЭ во всем диапазоне плотностей тока [А12,А14]. Такое поведение наблюдали в [10] для АЮаЫ/ОаЫ светодиодов. Показано, что рост проводимости квазиомических шунтов

усиливает неоднородность протекания тока, что выявляется по отклонению зависимостей спектральной плотности флуктуаций напряжения от плотности тока на низких частотах, от зависимости 1/] , типичной для однородного протекания тока [АЗ,А12]. Кроме того, усиление неоднородности протекания тока, с преимущественным протеканием по шунтам, выявляется на зависимости дифференциального сопротивления от плотности тока Рис.3. Общая площадь, занятая шунтами на 4-6 порядков меньше, площади светодиода, это означает, что плотность тока в

и подтверждается при исследовании деградировавших светодиодов методами низкочастотного шума и ИК-микроскопии Рис.1 [АЗ, А4,А12]. При этом оценки плотности тока в областях перегрева, выявленных ИК-микроскопией, дают такие же значения. Показано, что такие плотности тока, специфика части протяженных дефектов, обогащенных слабо связанными атомами индия и галлия [11], создают условия для реализации многофононной рекомбинации на таких собственных дефектах [12] и их рекомбинационно-стимулированной миграции и диффузии по механизму Голда-Вайсберга [13] в квазиомических шунтах, локализованных в системе протяженных дефектов. Изучение поверхности светодиодов в сканирующем микроскопе до и после разных временных стадий старения, подтверждает, что заметная деградация ВКЭ сопровождается локальным выделением индия или галлия на поверхностях р и п -областей, при этом наблюдается локальное растворение металлизации [АЗ]. Эти наблюдения подтверждены в более поздней работе [14] методами просвечивающей микроскопии. Дефектообразование в этих локальных

Рис.3.Типичные зависимости дифференциального сопротивления светодиода от плотности тока.

области шунтов превышает 103 А/см2 Такие плотности тока должны приводить к локальным перегревам, что

ю'7 ю5 кг3 ю1 ', а

областях приводит к расширению дислокационных трубок, росту проводимости в них и увеличению концентрации носителей заряда, не участвующих в излучательной рекомбинации. Показана сложная динамика модуляции проводимости шунтов, выявляющаяся на зависимостях спектральной плотности низкочастотного шума от тока [А14], а также при реанимации переставших светить синих светодиодов, под действием температуры, реабсорбции излучения, и импульсов тока. Пример реанимации двух синих светодиодов, при снятии температурной зависимости при фиксированных смещениях 1.4В и 3.0В приведен на Рис. 4. Подобные явления хорошо изучены на арсениде галлия в работах Стафеева В.И. [15]. Слабая температурная зависимость тока прямой ветви ВАХ до и после реанимации подтверждает, что реанимация светодиодов вызвана модуляцией

Рис.4. Температурные зависимости тока светодиодов при фиксированном напряжении: 11.4В; 2-ЗВ.

проводимости квазиомических шунтов. Однако, реанимация не возвращает светодиоды к исходным значениям ВКЭ и величине тока утечки при смещении менее 2В, и является временной, у таких светодиодов срок службы, как правило, низкий. Выяснено, что светодиоды, демонстрирующие общность свойств на финальной стадии, могут существенно отличаться по скорости развития деградации ВКЭ, которая, как показали исследования светодиодов, классифицированных по характеру организации наноматериала (или величине тока утечки), определяется индивидуальными свойствами светодиодов. Показано, что наиболее быстрое развитие этого процесса, в течение нескольких часов, типично для светодиодов с высокой степенью разупорядоченности наноматериала (Ар > 0.350, т| < 15%, j>5xl0 6 A/cm2 при смещении -1 В). При этом, чем хуже упорядоченность наноматериала светодиодов, тем более развита система

200-

180-

160-

140-

120-

< 100-

F

80-

60-

40-

20-

0-

протяженных дефектов, тем выше проводимость квазиомических шунтов и обогащение протяженных дефектов плохо связанной металлической фазой на исходных светодиодах и тем быстрее нарастает проводимость в процессе старения. Причем выделения мелких капель галлия и индия на поверхности таких светоизлучающих структур происходят при нагреве до 100-150° С, без протекания тока. Развитие этого процесса во временном интервале от 10 до нескольких тысяч часов, типично для светодиодов с хорошо упорядоченным наноматериалом (Др< 0.345, г|=40-50%, j < 2х10"8А/ст2 при смещении -1 В), но с искаженной прямой ветвью ВАХ до старения Рис.5, а, (криваяЗ), или возникающей на начальных стадиях старения Рис.5.б, (кривые 5 и 6). Такой вид прямой ветви ВАХ интерпретируют согласно [15], как параллельно включенные локальные области с пониженной высотой

а б

Рис. 5. Типичный вид ВАХ двух светодиодов: а- с искаженной прямой ветвью (3) и обратной (1) до старения и после 100 часов старения, (соответственно, 4 и 2); и б - с искажениями, возникающими в процессе старения (прямые ветви 5 — 80часов, 6-100 часов; обратные ветви, соответственно 2,4), до старения (прямая ветвь-3, обратная -1).

барьера и с меньшей площадью, чем площадь всего светодиода. Локальные р-п переходы с пониженными барьерами могут существовать из-за присутствия локальных областей твердого раствора, обогащенного индием, т.е. со значительным отклонением состава по индию от равновесного. Действительно, на части светодиодов с такими особенностями прямой ветви ВАХ, в спектрах электролюминесценции, при 300 К, наблюдается длинноволновая полоса до старения или в процессе старения [А13, А15]. Понижение барьера при старении сопровождается увеличением занимаемой им площади, интенсивности

длинноволновой полосы н проводимости шунтов [Al5]. При этом, вместо ожидаемого снижения значений ВКЭ, наблюдается небольшое увеличение ВКЭ, на несколько процентов. Эти изменения развиваются на временных интервалах от 10 до 500 часов, а деградация ВКЭ наблюдается за времена от 10 до нескольких тысяч часов. Кроме того, для большей части светодиодов, с такими особенностями ВАХ, наблюдаются катастрофические отказы, т.е. без постепенного снижения значений ВКЭ, светодиоды перестают светить [А 15]. Наблюдаемые изменения длинноволновой полосы свидетельствуют о перераспределении индия между локальными неоднородностями состава под действием протекающего тока. Из-за малой площади этих областей, в них могут возникать повышенные плотности тока, локальные перегревы по механизму Голда-Вайсберга, и миграция атомов индия и галлия. При этом миграция может приводить к более равновесному составу твердого раствора по индию, и росту излучателыюй рекомбинации [12]. Изучение особенностей низкочастотного шума таких светодиодов показало, что области перегрева появляются при плотностях тока на два порядка меньших, чем в квазиомических шунтах [А15]. Возможно, это связано с тем, что благодаря пониженным барьерам, наряду с миграцией индия и галлия происходит электромиграция заряженных дефектов, в соответствии с механизмом Лонжини. Процессы миграции индия и галлия в локальных областях твердого раствора и системы протяженных дефектов, приводят к неоднозначной связи ВКЭ с процессами дефектообразования. Процессы излучателыюй рекомбинации в первую очередь определяются свойствами достаточно совершенных областей вне протяженных дефектов. Интенсивное дефектообразование происходит в системе протяженных дефектов и в локальных областях твердого раствора с неравновесным составом по индию. При этом ВАХ отражает свойства областей с самым низким барьером и если их площадь мала, то заметных изменений ВКЭ не происходит. Показано, что ВАХ самый чуткий индикатор начала процесса дефектообразования. При этом, преимущественное изменение прямой или обратной ветви ВАХ светодиода,

при смещениях менее 2В, позволяет разделить вклад процессов дефектообразования в системе протяженных дефектов и в локальных областях с неравновесным составом по индию и выявить наиболее ненадежные светодиоды без долговременных испытаний. Приведены результаты, показывающие, что эти два канала дефектообразования могут чередоваться и стабилизироваться на разных временных стадиях процесса старения. На финальной стадии деградации, как правило, оба канала действуют одновременно. При этом для светодиодов с хорошо упорядоченным наноматериалом, без выше отмеченных особенностей прямой ветви ВАХ, временные интервалы стабилизации могут достигать несколько тысяч часов, а изменения барьера меньше 0.2В и токов утечки в пределах 1 порядка, а сроки службы более 20000 часов.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. Разработан комплекс методов, позволяющий реализовать новый подход в изучение деградации внешней квантовой эффективности (ВКЭ), учитывающий сложный характер организации наноматериала мощных синих светодиодов на основе квантоворазмерных 1пСаЫ/СаЫ структур.

2. Показано, что рост значений мультифракталыюго параметра Др-отражающий ухудшение характера организации наноматериала светоизлучающих структур и свойств системы протяженных дефектов, пронизывающей светодиодную структуру, коррелирует с увеличением на порядки токов утечки светодиодов прн смещениях меньше 2В. Обнаруженная корреляция позволила контролировать эти особенности по уровню токов утечки на коммерческих чипах светодиодов разных фирм, что значительно расширило число исследованных объектов.

3. Выяснено, что дефектообразование под действием инжекционного тока в первую очередь развивается в двух каналах: в проводящих квазиомических шунтах, локализованных в системе протяженных дефектов, и в локальных областях с неравновесным составом твердого раствора с повышенным содержанием индия. Захват неравновесных носителей этими каналами

сопровождается многофононной рекомбинацией, и рекомбинационно -стимулированной миграцией и диффузией индия и галлия, порождая немонотонное изменение значений ВКЭ на промежуточных временных стадиях старения. Локальное дефектообразование в этих каналах усиливает неоднородность протекания тока по мере увеличения времени старения и приводит к возникновению локальных областей перегрева, а также к значительному снижению концентрации неравновесных носителей, участвующих в излучателыюй рекомбинации.

4. Многообразие вариантов развития деградации ВКЭ синих светодиодов вызвано сложной комбинацией и чередованием процессов дефектообразования в этих двух каналах во времени. На финальной стадии деградации (при уменьшении значений ВКЭ на 30% относительно исходных), как правило, оба канала действуют одновременно. Неоднозначная связь между процессами дефектообразования и излучателыюй рекомбинацией, в первые, 5000 часов, вызвана тем, что области, в которых происходят эти процессы, пространственно разнесены. Таким образом, особенности деградации ВКЭ светодиодов во многом обусловлены фрактальной природой AЗN наноматериала.

5. Катастрофические отказы светодиодов вызваны в первую очередь процессами дефектообразования в локальных областях с сильно неравновесным (нерегулярным) по индию составом твердого раствора 1пСаЫ, приводящими к миграции индия и галлия, и модуляции проводимости активной области.

6. Предложен метод выявления ненадежных светодиодов по контролю уровня тока прямой и обратной ветвей ВАХ, при смещениях менее 2В. При этом, наиболее ненадежные светодиоды с катастрофическим отказом могут быть выявлены на светонзлучающей пластине до проведения сборки. Светодиоды с укороченным сроком службы могут быть выявлены при временах старения менее 500 часов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

[Al] A.A. Greshnov, А.Е. Chernyakov, B.Y. Ber, D.V. Davydov, А.Р. Kovarskyi, N.M.Shmidt, F.M. Snegov, O.A. Soltanovich, P.S. Vergeles, E.B. Yakimov, A.L. Zakgeim «Comparative Study of Quantum Efficiency of Blue LED with Different Nanostructural Arrangement», Phys.Status Solidi(c)2007,v.4,# 8, P.2981-2985.

[A2] Аверкиев H.C., Левинштейн M.E., Петров П.В., А.Е. Черняков А.Е., Шабунина Е.И., Шмидт Н.М. ,Особенности рекомбинационных процессов в светоизлучающих структурах на основе InGaN/GaN при больших плотностях инжекционных токов , Письма в ЖТФ 35, 97-102 (2009).

[A3] Закгейм A.JL, Левинштейн М.Е., Петров В.П., Черняков. А.Е., Шабунина Е.И., Шмидт Н.М., Низкочастотный шум в исходных и деградировавших синих InGaAs/GaN-светодиодах, 2012, ФТП, т.46, 2,: 219-223.

[А4] Закгейм А.Л., Курышев Г.Л., Мизеров М.Н., Половинкин В.Г., Рожанский И.В., Черняков А.Е., Исследование тепловых процессов в мощных InGaN/GaN флип-чип светодиодах с использованием инфракрасной тепловизионной микроскопии, Физика и техника полупроводников, 2010, том 44, вып. 3.

[А5] Булашевич К.А., Закгейм А.Л., Карпов С.Ю., Черняков А.Е., Теоретический анализ и экспериментальное исследование электрооптических и тепловых характеристик мощных InGaN/GaN излучающих кристаллов флип-чип конструкции, Тезисы докладов 8-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия-структуры и приборы» - СПб 2011. С.53-55

[А6] Chernyakov А.Е., Bulashevich К. A., Karpov S. Yu., Zakgeim A. L., Experimental and theoretical study of electrical, thermal, and optical characteristics of InGaN/GaN highpower flip-chip LEDs, Phys. Status Solidi A 210, - 2013, No. 3, 466-469. [A7] Zakgeim A.L., Chernyakov A.E., Vaskou A.S., Kononenko V.K., Niss V.S., Comparative Analysis of the Thermal Resistance Profiles of Power Light-Emitting Diodes Cree and Rebel Types, 14th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, 2013, EuroSimE 2013, P. 1-7

[A8] Б.Я. Бер, E.B. Богданова, A.A. Грешное, А.Л. Закгейм, Д.Ю. Казанцев, А.П. Карташова, А.С. Павлюченко, А.Е. Черняков , Е.И. Шабунина, Н.М. Шмидт, Е.Б. Якимов «Влияние уровня легирования кремнием и характера наноструктурной организации на падение с током внешней квантовой эффективности InGaN/GaN светодиодов». ФТП,45,№3,425-431(2011)

[А9] N.S. Averkiev, А.Е. Chernyakov, N.M.Shmidt, Tho channels of non-radiative recombination in InGaN/GaN LEDs, Physica В 404(2009)4896-4898. [A10] A.E. Chernyakov, M.M. Sobolev, V.V. Ratnikov, N.M.Shmidt, E.B. Yakimov Nonradiative recombination dynamics in InGaN/GaN LED defect system Superlattices and Microstructures 45(2009)301-307.

[All] Давыдов Д.В., Закгейм А.Л., Снегов Ф.М., Соболев М.М., Черняков А.Е., Усиков А.С., Шмидт Н.М., Локализованные состояния в активной области голубых светодиодов, связанные с системой протяженных дефектов, Письма в ЖТФ, 2007, т.ЗЗ, вып.2, С.11-18.

[А 12] Shabunina Е; Averkiev N; Chernyakov A; Levinshtein М; Petrov Р; Shmidt N, Extended defect system as a main source of non-radiative recombination in InGaN/GaN LEDs, Phys. Status Solidi С Curr. Top. Solid State Phys., v. 10, 3, страницы: 335-337.

[А 13] Shmidt,N; Greshnov.A; Chernyakov,A; Levinshtein,M; Zakgeim,A; Shabunina,E ,Mechanisms behind efficiency droop and degradation in InGaN/GaN LEDs, Phys. Status Solidi С Curr. Top. Solid State Phys.,2013, v.10, 3, C. 332-334

[A 14] Shabunina E; Chernyakov A; Shmidt N., Multiphonon recombination of carriers in local regions of InGaN/GaN nanostructures, 22 International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St.-Petersburg, June, 2014, Proceedings, P.67. [A 15] A.E. Chernyakov, M.E. Levinshtein, P.V. Petrov, N.M. Shmidt, E.I. Shabunina, A.L. Zakgeim, Failure mechanisms in blue InGaN/GaN LEDs for high power operation, Microelectron. Reliab., 2012, v. 52, 9-10, pp. 2180-2183.

Список используемой литературы:

1. . — http://www.cree.com/Lighting/Document-Library.

2. Meneghesso G, Meneghini M, Zanoni E Recent results on the degradation of white LEDs for lighting // Journal of Physics D: Applied Physics. — 2010. — T. 43, 35. — C. 354007-354018.

3. Shmidt N M, Besyul'kin A N, Dunaevsky M S, Kolmakov A G, Sakharov A V, Usikov A S, Zavarin E E Mosaicity and electrical and optica! properties of group IH nitrides // Journal of Physics: Condensed Matter. — 2002. — T. 14,48. — С. 13025-13030.

4. Kamanin A V, Kolmakov A G, Kop'ev P S, Onushkin G A, Sakharov A V, Shmidt N M, Sizov D

5. Sitnikova A A, Zakgeim A L, Zolotareva R V, Usikov A S Degradation of blue LEDs related to structural disorder// Physica Status Solidi (c). — 2006. — T. 3, 6. — C. 2129-2132.

5. Ковалев A H, Маняхин Ф И, Кудряшов В Е, Туркин А Н, Юнович А Э Изменение люминесцентных электрических свойств светодиодов из гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN при длительной работе // Физика и техника полупроводников. — 1999. — Т. 33, 2. — С. 224232.

6. Бочкарева Н И, Ефремов А А, Ребане Ю Т, Горбунов Р И, Клочков А В, Шретер Ю Г Неоднородность инжекции носителей заряда и деградации голубых светодиодов // ФТП. — 2006, —Т. 40, 1, —С. 122-128.

7. Шретер Юрий, Ребане Юрий, Зыков Валерий, Сидоров Валерий Широкозонные полупроводники. — Санкт-Петербург : Наука. Ленинградское отделение, 2001.

8. Встовский Г В, Колмаков А Г, Бунин И Ж Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов. — Ижевск : НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. — 116 с.

9. . — http://www.philipslumileds.com/support.

10. Pinos A, Marcinkevicius S, Shur М S High current-induced degradation of AlGaN ultraviolet light emitting diodes // Journal of Applied Physics. — 2011. — T. 109, 10, —C. 130108-10.

11. Шуберт Ф E Светодиоды / Под ред. Юнович А Э. — Москва : ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 384 с.

12. Yassievich I N Recombination-induced defect heating and related phenomena // Semiconductor Science and Technology. — 1994. — T. 9, 8. — C. 1433-1453.

13. Gold R D, Weisberg L R Permanent degradation of GaAs tunnel diodes // Solid-State Electronics. — 1964. — T. 7, 11. — C. 811-821.

14. Leung К К, Fong W K, P.K.L.Chan, Surya С Physical mechanisms for hot-electron degradation in GaN light-emitting diodes // Journal of Applied Physics. — 2010. — T. 107, 7. — C. 0731103.

15. Адирович Э И, Карагеоргий-Алкалаев П М, Лейдерман A IO, Гальперин Е И Токи двойной инжекции в полупроводниках. — Москва : Сов. радио, 1978.

Подписано в печать 21.04.2014. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 11805Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Типографии Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 552-77-17; 550-40-14

Федеральное государственное бюджетное учреадение науки физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской

академии наук

Особенности развития деградации внешней квантовой эффективности мощных синих светодиодов на основе квантоворазмерных ТпОаМУваК структур

специальность 01.04.10 - физика полупроводников

Диссертация На соискание ученой степени Кандидата ф-м. наук

Научный руководитель доктор ф-м. наук Шмидт Н.М.

Санкт-Петербург, 2014

Оглавление

Введение..................................................................................................5

Актуальность темы.............................................................................................5

Основные цели и задачи.....................................................................................6

Научная новизна работы....................................................................................6

Практическая ценность.......................................................................................8

Основные положения, выносимые на защиту..................................................8

Апробация работы...............................................................................................9

Структура и объем диссертации......................................................................11

Глава 1. Обзор литературы...............................................................12

1.1 Мощные синие 1пОаЫ/ОаМ светодиоды - основа для создания энергосберегающего твердотельного освещения..........................................12

1.2. Дизайн и технология получения мощных синих светодиодов на основе квантоворазмерных 1пОаЫЛ1ЫЧ структур......................................................17

Структурные особенности и специфика дефектов в нитриде галлия и светоизлучающих структурах..........................................................................19

1 .4. Безызлучательная рекомбинация в

А N наноматериалах и особенности излучательной рекомбинации в светоизлучающих 1пОаТ<Г/ОаК структурах и светодиодах........................................................................................................22

1.3. Основные закономерности развития деградации мощных синих 1пОаКА2гаМ светодиодов, известные к началу выполнения работы............35

Выводы:..............................................................................................................43

Глава 2. Основные объекты исследования, технология выращивания и традиционные методы диагностики

светоизлучающих квантоворазмерных 1пСа]Ч/СаК структур. .44

2

2.1 Основные объекты исследования и технология выращивания светоизлучающих квантоворазмерных InGaN/GaN структур......................44

2.2. Традиционные методы исследования структурных, электрических и оптических свойств светоизлучающих структур..........................................45

2.3. Методы старения мощных синих светодиодов.......................................49

Глава 3. Комплекс методов, позволяющий реализовать новый подход в изучении развития деградации внешней квантовой

эффективности мощных синих InGaN/GaN светодиодов...........52

3.1. Методика определения характера организации наноматериала светоизлучающих квантоворазмерных InGaN/GaN структур на основе мультифрактального анализа...........................................................................53

3. 2. Теоретическое и экспериментальное изучение растекания тока по площади /7-и-перехода InGaN/GaN светодиодов..........................................72

3.3. Изучение низкочастотного шума в мощных синих InGaN/GaN свето диодах........................................................................................................91

Выводы:............................................................................................................103

Глава 4. Исследование развития деградации внешней квантовой эффективности мощных синих InGaN/GaN светодиодов с разным характером организации наноматериала на разных временных стадиях старения......................................105

4.1. Основные закономерности развития деградации внешней квантовой эффективности мощных синих InGaN/GaN светодиодов...........................105

4.2. Основные закономерности развития деградации ВКЭ светодиодов на финальной стадии старения...........................................................................108

4.3. Механизмы, ответственные за развитие деградации ВКЭ мощных синих InGaN/GaN светодиодов......................................................................118

4.4. Скорость развития деградации ВКЭ светодиодов, классифицированных по характеру организации наноматериал (уровню токов утечки)...................................................................................................132

4.5. Причины катастрофических отказов и методы выявления ненадежных светодиодов......................................................................................................135

Выводы:............................................................................................................144

Заключение.........................................................................................146

Список литературы...........................................................................148

Введение

Актуальность темы

Конец первого десятилетия 21-го века ознаменовался развитием в разных странах мира амбициозных программ по созданию твердотельного энергосберегающего освещения на основе мощных синих ЫСаМ/ваИ светодиодов с люминофорным покрытием. Теоретический предел светоотдачи белых светодиодов близок к З50лм/Вт, и в настоящее время на отдельных фирмах достиг значений ЗОЗлм/Вт, превысив светоотдачу ламп, но стоимость остается намного выше [1]. Причем снижение стоимости упирается не только в решение технических задач, но и таких фундаментальных как падение внешней квантовой эффективности этих

л

светодиодов начиная с низких плотностей тока 10А/см , немонотонный характер изменения внешней квантовой эффективности (оптической мощности) в первые несколько тысяч часов старения светодиодов на основе квантоворазмерных 1пОаЫ/ОаЫ структур и непредсказуемый выход из строя за короткие времена части светодиодов, не отличающейся по основным параметрам от остальных с большим сроком службы. Эти эффекты значительно повышают стоимость $/Лм, что может привести к нерентабельности перехода на твердотельное освещение. Причины этих явлений интенсивно изучаются мировым научным сообществом на протяжении двух десятилетий, но их природа остается не выясненной, а общепринятые модели отсутствуют до сих пор [2]. Более того, согласно данным, приведенным в обзоре [2] механизмы дефектообразования под действием инжекционного тока, приводящие к непредсказуемому выходу из строя светодиодов, характер взаимосвязи деградации оптической мощности с изменением свойств дефектной системы остается не выясненным. По-прежнему остается предметом дискуссий вопрос о том, какие дефекты генерируются в процессе старения, и преимущественно в каких областях. Представляется, что одной из причин осложняющих понимание

особенностей развития процессов деградации внешней квантовой эффективности 1пОаЫ/ОаЫ структур, может быть сложный характер организации наноматериала, формирующийся в неравновесных условиях самоорганизации, приводящий к образованию локальных разно — размерных, от нескольких нанометров до микрон, неоднородностей состава твердого раствора, и системы протяженных дефектов, пронизывающей светоизлучающую структуру. К началу выполнения работы роль этих особенностей в развитии процесса деградации оптической мощности синих светодиодов на основе квантоворазмерных 1пОа"М/ОаЫ структур практически не была изучена. Более того, данные разных авторов о характере развития этого процесса локальном или подобном таковому установленному для

л г

светодиодов на основе традиционных А В , были противоречивы.

Основные цели и задачи данной работы:

• Разработка комплекса методов , позволяющего реализовать новый подход в изучение деградации внешней квантовой эффективности (ВКЭ), учитывающий сложный характер организации наноматериала мощных синих светодиодов на основе квантоворазмерных ГпваМ/СаЫ структур;

• Выяснение основных закономерностей снижения значений ВКЭ этих светодиодов при старении, и механизмов ответственных за этот процесс;

• Выяснение взаимосвязи деградации ВКЭ светодиодов с изменением свойств системы протяженных дефектов и разно-размерных неоднородностей состава твердого раствора по индию.

Научная новизна работы заключается в том, что предложен новый подход к изучению процесса деградации ВКЭ светодиодов, учитывающий сложный характер организации разно-размерных неоднородностей состава твердого раствора 1пОаЫ и присутствие квазиомических шунтов,

локализованных в системе протяженных дефектов, т.е. фрактальную природу наноматериала.

Предложенный подход и количественная классификации разных форм организации наноматериала квантоворазмерных 1пОаМЛлаМ структур с помощью параметра, характеризующего степень разупорядоченности наноматериала (Ар), позволил выяснить основные закономерности развития деградации ВКЭ этих светодиодов. Выяснено, что дефектообразование под действием инжекционного тока развивается, преимущественно, в двух каналах: в проводящих квазиомических шунтах, локализованных в системе протяженных дефектов, и в локальных областях с неравновесным составом твердого раствора с повышенным содержанием индия. Показано, что в этих каналах существуют все необходимые условия для реализации деградации ВКЭ по механизму Голда-Вайсберга: высокая плотность неравновесных носителей до 1000А/см , их многофононная рекомбинация на примесях, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне (в нашем случае слабо связанные атомы индия и галлия в отдельных протяженных дефектах), вызывающая локальные перегревы и рекомбинационно — стимулированную миграцию и диффузией индия и галлия. Эти процессы порождают немонотонное изменение значений ВКЭ на промежуточных временных стадиях старения и приводят к значительному снижению концентрации неравновесных носителей, участвующих в излучательной рекомбинации. Многообразие вариантов развития деградации ВКЭ синих светодиодов вызвано сложной комбинацией и чередованием процессов дефектообразования в этих двух каналах во времени. На финальной стадии деградации, на которой значения ВКЭ уменьшаются на 30% относительно исходных значений, как правило, оба канала действуют одновременно. Неоднозначная связь между излучательной и безызлучательной рекомбинацией в первые 5000 часов вызвана тем, что области, в которых происходят эти процессы, пространственно разнесены. Показано, что изучение в процессе старения эволюции прямой и обратной ветвей ВАХ при

7

смещениях менее 2В мощных синих светодиодов позволяет разделить вклад каждого из каналов в процесс дефектообразования. Катастрофические отказы светодиодов вызваны в первую очередь процессами дефектообразования в локальных областях с неравновесным по индию составом твердого раствора 1пОаМ, происходящие в результате модуляции проводимости активной области.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработан метод контроля распределения температуры по площади светодиода, позволяющий разделить вклад в формирование областей перегрева периферии светодиода, неоптимальной геометрии контактных площадок, дефектов сборки и локальных областей перегрева, связанных со свойствами наноматериала светоизлучающих структур; предложен комплекс методов, позволяющий выяснить вклад характера организации наноматериала светоизлучающих структур в скорость развития деградации ВКЭ светодиодов; показано, что для увеличения срока службы необходимо улучшать характер организации наноматериала, разработать режимы роста твердых растворов с минимальным содержание локальных областей с сильно неравновесным (нерегулярным) составом твердого раствора, избегать галлий и индий обогащенных режимов роста; предложен метод выявления наиболее ненадежных, склонных к катастрофическим отказам, светодиодов, по уровню токов утечки и появлению локальных областей с пониженным барьером на прямой ветви В АХ при смещениях менее 2 В. При этом наиболее ненадежные светодиоды по найденным критериям могут быть выявлены до проведения старения и сборки.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Для всех светодиодов, независимо от фирмы изготовителя, дизайна активной области, а также характера организации наноматериала, снижение внешней квантовой эффективности на 30% и более, относительно исходных значений, в процессе старения (финальная

стадия) вызвано ростом проводимости на порядки квазиомических шунтов, локализованных в системе протяженных дефектов.

2. На финальной стадии в квазиомических шунтах локальная плотность тока превышает 1000А/см , вызывая перегрев и усиление дефектообразования по механизму Голда-В айсберга, сопровождающееся миграцией и диффузией индия и галлия вдоль протяженных дефектов.

3. Скорость развития процесса деградации внешней квантовой эффективности определяется индивидуальными свойствами 1пОаЫЛЗаМ светодиодов. Развитие этого процесса, в течение нескольких часов, типично для светодиодов с высокой степенью разупорядоченности наноматериала.

4. Развитие процесса деградации внешней квантовой эффективности во временном интервале от 10 до нескольких тысяч часов, типично для светодиодов с хорошо упорядоченным наноматериалом, но с присутствием локальных областей с существенно неравновесным составом твердого раствора 1пСа>Т, по индию. При этом общая площадь таких локальных областей на несколько порядков меньше площади всего светодиода.

5. Контроль эволюции прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики светодиодов при смещениях менее 2 В на разных временных стадиях старения позволяет разделить процессы дефектообразования, локализованные в системе протяженных дефектов и в разно-размерных неоднородностях твердого раствора, а также выявить наиболее ненадежные светодиоды без долговременных испытаний.

Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались на Российских и Международных конференциях:

BIAMS 2008, Toledo (Spain), June , 2008.

16 International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St.-Petersburg, December, 2008.

Всероссийская конференция по физике полупроводников «Полупроводники 2009», г. Томск, сентябрь 2009.

Международная конференция по дефектам, Санкт-Петербург, июль 2009. 2-ая Всероссийская конференция «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях», Москва, май 2009.

7-ая Всероссийская конференция «Нитрид Галлия, Индия и Алюминия-структуры и приборы», Москва, февраль, 2010.

8-ая Всероссийская конференция «Нитрид Галлия, Индия и Алюминия-структуры и приборы», Санкт-Петербург, июнь 2011.

23rd European Symposium on the Reliability of electron devices, failure physics and analysis, Cagliari (Italy), 0ctober,2012.

4 International Symposium on Growth of Ill-Nitrides,St.-Petersburg, Russia,July, 2012

9-ая Всероссийская конференция «Нитрид Галлия, Индия и Алюминия-структуры и приборы», Санкт-Петербург, июнь 2013. 17th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy, Warsaw(Poland), August,2013.

14th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, 2013. 22 International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St.-Petersburg, June, 2014.

15th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, 2014.

Публикации Основные результаты работы опубликованы в 15 печатных работах, из них 12 научные статьи в реферируемых журналах и тезисы в материалах конференций - 3.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 157 страницах машинописного текста. Диссертация включает также 49 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 85 наименований.

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Мощные синие InGaN/GaN светодиоды — основа для создания энергосберегающего твердотельного освещения.

Индустрия мощных синих светодиодов на основе квантоворазмерных InGaN/GaN структур интенсивно развивается в связи с поставленной в разных странах мира задачей перехода к энергосберегающему экологически чистому твердотельному освещению. В последние годы, получены серийные светодиоды со светоотдачей 150-160 лм/Вт, а рекордные лабораторные образцы достигли 303 лм/ Вт [1], что близко к теоретическому пределу. В результате светодиоды на основе InGaN/GaN структур стали вполне конкурентно способными по эффективности с лампами накаливания. Однако, вопрос рентабельности перехода на твердотельное освещение остается нерешенным. Одна из проблем - непредсказуемый выход из строя части светодиодов за короткие времена (меньше 1000 часов), в то время как для обеспечения рентабельности необходимы сроки службы не меньше 100000 часов. На сегодняшний день фирма Cree [1] решила эту проблему, однако имеет самое дорогостоящее производство светодиодов, а следовательно проблема рентабельности осталась. При этом пути решения проблемы не раскрываются, известно лишь, что достигнуто высокое качество материала светоизлучающей структуры, благодаря использованию подложек карбида кремния собственного производства, но эти подложки и являются тем компонентом, который в разы увеличивает стоимость чипа светодиода. Несмотря на то, что фирме Cree удалось избавиться от катастрофического выхода из строя светодиодов, развитие деградации внешней квантовой эффективности, т.е уменьшения в процессе эксплуатации на 30% значений внешней квантовой эффективности, относительно исходного значения, такое же нестандартное как и на других фирмах Рис.1 [1]. На Рис.1 приведены примеры эволюции внешней квантовой эффективности светодиодов фирмы Cree в процессе старения. Процесс старения синих