Высокотемпературные светодиоды для среднего ИК-диапазона на основе узкозонных гетероструктур соединений A3B5 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

ПЕТУХОВ Андрей Александрович

Высокотемпературные светодиоды для среднего ИК-диапазона на основе узкозонпых гетероструктур соединений А3В5

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 6 СЕН 2013

Санкт-Петербург 2013

005533670

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

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, проф., Яковлев Юрий Павлович (Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук)

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, проф., Иванов-Омский Владимир Иванович (Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук)

доктор физ.-мат. наук, проф., Кузнецов Владимир Владимирович (Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Защита состоится «17» октября 2013 г. в 11.30 на заседании диссертационного совета Д-002.205.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук по адресу: Санкт-Петербург, Политехническая улица, д.26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Автореферат разослан «16» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д-002.205.02 доктор физ.-мат. наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На протяжении последних десятилетий в ФТИ им.

А.Ф. Иоффе ведутся исследования, направленные на создание светодиодов для

среднего инфракрасного диапазона на основе соединений А3В\ Спектральная

область 1.5-5.0 мкм актуальна для решения задач в области газового анализа,

экологического мониторинга, промышленной безопасности и неинвазивной

медицинской диагностики, поскольку в данном спектральном диапазоне

находятся характеристические полосы поглощения многих органических и

неорганических веществ (метана, аммиака, ацетона, воды, монооксида и

диоксида углерода, сероводорода, азота, и т.д.) [1-4].

Для решения многих прикладных задач необходимо обеспечить

стабильную работу и заданные технические характеристики светодиодов при

повышенных температурах: вплоть до 425 К (150°С). Однако, исследование

светодиодных гетероструктур для средней инфракрасной области спектра, как

правило, ограничено диапазоном температур от 77 К до 300 К. На данный

момент комплексного изучения высокотемпературной электролюминесценции

светодиодных гетероструктур на основе соединений А3В5 не проводилось,

поэтому отсутствует понимание физических ограничений на эффективность

излучательной рекомбинации при повышенных температурах в диапазоне от

300 К до 470 К (25-200°С). Поэтому представляет значительный научный и

практический интерес исследование люминесцентных и рекомбинационных

свойств светодиодных гетероструктур на основе соединений А3В5 при

повышенных температурах. Также актуальна задача увеличения квантовой

эффективности и мощности излучения светодиодов, излучающих в

спектральной области 4-5 мкм [5,6].

Цель работы: Исследование люминесцентных, рекомбинационных и

электрических свойств светодиодных гетероструктур на основе

гетеропереходов I и II типа для средней инфракрасной области спектра

3

(1.6-5.0 мкм) в системах твердых растворов СаЯМпАв-А^Ь и 1пА8-1п8Ь-1пР при повышенных температурах в диапазоне от 300 К до 470 К (25-200°С).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Исследование люминесцентных и электрических свойств, процессов излучательной и безызлучательной рекомбинации в симметричных и несимметричных светодиодных гетероструктурах на основе гетеропереходов первого (/г-СаТпАвЗЬ/р-АЮаАвБЬ) и второго типа (/;-Са1пА58Ь/р-Оа8Ь), выращенных методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), для спектральной области 1.6-2.4 мкм в диапазоне температур от 90 К до 470 К.

• Исследование люминесцентных, рекомбинационных и электрических характеристик длинноволновых светодиодных гетероструктур (Д„гал=3-5 мкм), выращенных методами ЖФЭ и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОГФЭ), на подложке /г-ГпАв с использованием узкозонных твердых растворов 1пА8/.л5Ьл (0<л<0.12) в качестве активной области и широкозонных твердых растворов ¡пАвБЬР для ограничения носителей заряда в диапазоне температур от 300 К до 470 К.

• Исследование высокотемпературной электролюминесценции изотипной /¡-Оа8Ь/7г-АЮаА85Ь//;-1пСаА88Ь и анизотипной 7г-Оа5Ь//г-1пОаА55Ь/ р-АЮаАяЯЬ светодиодных гетероструктур, выращенных методом ЖФЭ, с узкозонной активной областью «-ТпСаАяБЬ (Ек=0.28 эВ) и высоким потенциальным барьером в зоне проводимости (Д£г=0.8-И. 1 эВ) в зависимости от тока накачки (0</<2.5 А) и температуры (300 К<Г<470 К).

Научная новизна результатов, полученных в работе состоит в следующем:

• Исследованы люминесцентные и рекомбинационные свойства

светодиодных гетероструктур на основе ОаЯЬ с четверным твердым раствором

ваДпАзЗЬ (0.84<*<0.95) в активной области (А„м1=1.6-2.4 мкм) в широком

диапазоне температур от 90 К до 470 К. Установлено, что при повышении

4

температуры мощность излучения экспоненциально уменьшается вследствие увеличения скорости безызлучательной оже-рекомбинации СННБ-типа (рекомбинация электронно-дырочной нары с возбуждением тяжелой дырки в спин-орбитально отщепленную зону) и уменьшения скорости излучательной рекомбинации.

• Исследованы люминесцентные и рекомбинационные свойства светодиодных гетероструктур на основе /¡-[пАя с твердым раствором /|-1пА8|_л8Ьд (0<.г<0. 12) в активной области для спектрального диапазона 3-5 мкм при повышенных температурах в диапазоне от 300 К до 470 К. Показано, что экспоненциальное уменьшение мощности излучения при увеличении температуры обусловлено действием безызлучательной оже-рекомбинации СНСС-типа (рекомбинация электронно-дырочной пары с возбуждением электрона зоны проводимости) и "резонансной" рекомбинации СННБ-типа, когда ширина запрещенной зоны активной области близка к энергии спин-орбитального расщепления валентной зоны.

• Установлено, что при повышении температуры в диапазоне от 300 К до 470 К ширина запрещенной зоны твердых растворов 1пА88Ьг (0<х<0.12) и СаДпАяБЬ (0.84<х<0.95) линейно уменьшается пропорционально с1Е/с1Т=-( 1.54-3.3)-10"4 эВ/К и ¿Е^Ш^О.Ь+З.ЭуХО* эВ/К соответственно.

• Впервые обнаружено увеличение мощности излучения светодиодной гетероструктуры ?г-Оа8Ь/«-1пСаА88Ь/р-А1СаА88Ь с высоким потенциальным барьером в зоне проводимости, в которой имеет место ударная ионизация, инициируемая разогретыми на скачке потенциала электронами, с ростом температуры. Установлено, что при нагреве от 300 К до 340 К происходит сверхлинейное, а при Г>340 К - линейное увеличением мощности излучения. Показано, что рост мощности излучения при увеличении температуры обусловлен снижением пороговой энергии ударной ионизации, вследствие

уменьшения ширины запрещенной зоны активной области /г-ГпСаАвЗЬ.

5

• Показано, что в светодиодной гетероструктуре /¡-СаЗЬ/и-АЮаАзЗЬ/ /|-Са1пА88Ь/р-Са8Ь//?-АЮаА88Ь II типа при протекании тока в прямом направлении происходит термоэлектрическое охлаждение р-н-перехода и активной области /;-Са0 сДпА88Ь (£,,=0.62 эВ при 7=300 К).

Практическая значимость работы:

• Предложен новый способ увеличения мощности излучения инфракрасных светодиодов для спектрального диапазона 3-5 мкм, предназначенных для работы при повышенных температурах (Г=300ч-470 К), за счет использования гетероструктур типа /1-Оа5Ь//;-1пСаА88Ь/р-АЮаА58Ь с высоким потенциальным барьером в зоне проводимости на гетерогранице н-СаБЬ/н-^СаАзБЬ и узкозонной активной областью /¡-1пСаА85Ь.

• Впервые показано, что светодиоды на основе л-Оа8Ь для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм с активной областью и-Сах1п|_хА55Ь (0.84<л<0.95, 0.57 эВ<£'?<0.67 эВ) и широкозонными ограничительными слоями АЮаАэЗЬ могут эффективно работать как при комнатной температуре, так и при повышенных температурах вплоть до Г==440 К.

• Разработан оригинальный метод измерения температуры /»-«-перехода светоизлучающих диодов, который может быть использован в электрических схемах температурной компенсации оптических адсорбционных сенсоров.

• Установлено, что использование буферного полуизолирующего слоя />-С1а8Ь в светодиодной гетероструктуре /(-ОаЯЬ/р-Са.ЯЬ/^-Саоа^ГпАяЯЬ/ р-ОаБЬ/р-АЮаАзЗЬ для предотвращения утечки дырок из активной области /¡-Сао9451пА8ЯЬ эффективно вплоть до температуры 7=440 К, выше которой увеличение собственной концентрации носителей заряда с ростом температуры стимулирует протекание оже-процессов и приводит к резкому саду мощности излучения при нагреве гетероструктуры.

Научные положения, выносимые па защиту:

1. В светодиодных гетероструктурах на основе /¡-СаЗЬ для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм с узкозонной активной областью /1-ОаДп/.ЛА88Ь (0.84<.г<0.95, 0.57 эВ<Е,,<0.67 эВ) и широкозонными ограничительными слоями АЮаАзЗЬ при повышении температуры в диапазоне ог 300 К до 470 К мощность излучения экспоненциально уменьшается, что обусловлено ростом скорости безызлучательной оже-рекомбинации СНШ-типа (рекомбинация электронно-дырочной пары с возбуждением второй дырки в спин-орбитально отщепленную зону) в области температур Г=300-340 К и снижением скорости излучательной рекомбинации в области температур Г=300-470 К.

2. В светодиодных гетероструктурах на основе ;!-1пА8, излучающих в спектральном диапазоне 3.3-4.5 мкм, с узкозонной активной областью ;)-1пА8].х5Ь, (0<х<0.12, 0.26 эВ<£'?<0.35 эВ) и широкозонными ограничительными слоями на основе ГпАзБЬР при увеличении температуры в интервале от 300 К до 470 К экспоненциальное уменьшение мощности излучения обусловлено действием двух безызлучательных оже-процессов: "резонансного" СНН8-процесса, когда ширина запрещенной зоны активной области близка к энергии спин-орбитального расщепления валентной зоны, и СНСС-процесса (рекомбинация электронно-дырочной пары с возбуждением электрона зоны проводимости), при этом вклад последнего процесса в суммарную скорость безызлучательной рекомбинации при повышении температуры увеличивается.

3. В светодиодных гетероструктурах на основе антимонида галлия ;(-Са8Ь//1-1пСаА58Ь/р-А1СаА$8Ь, излучающих в спектральном диапазоне 4.3-4.5 мкм, с высоким потенциальным барьером в зоне проводимости на гетерогранице /!-Са8Ь/п-1пСаА$8Ь (ДЕС =0.79 эВ), существенно превышающим ширину запрещенной зоны активной области ТпОаАяЗЬ (£,,=0.284 эВ,

7=300 К), в которой при комнатной температуре имеет место суперлинейная люминесценция и увеличение оптической мощности за счет создания дополнительных электронно-дырочных пар при ударной ионизации электронами, разогретыми на скачке потенциала АЕС, при повышении температуры в диапазоне от 300 К до 340 К наблюдается сверхлинейное, а при температуре свыше 340 К - линейное увеличение мощности излучения, что обусловлено уменьшением пороговой энергии ударной ионизации электронов, вследствие температурного сужения запрещенной зоны активной области.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: IX международная научная конференция «Лазерная физика и оптические технологии» (30 мая - 2 июня 2012, г. Гродно, республика Беларусь); Четырнадцатая всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой оптики- и наноэлектроники (26-30 ноября 2012, г. Санкт-Петербург); VII международная конференция "Фундаментальные проблемы оптики" ФПО-2012 (15-19 октября 2012, г. Санкт-Петербург); Российская молодежная конференция по физике и астрономии для молодых ученых «ФизикА.СПб» (24-26 октября 2012, г. Санкт-Петербург); XI Российская конференция по физике полупроводников (16-20 сентября 2013, г. Санкт-Петербург).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах, библиографический список публикаций приведен в конце диссертации.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 192 страницы, включая 124 рисунка, 5 таблиц. Список цитируемой литературы включает 101 наименование.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели,

отмечены научная новизна и практическая ценность, изложены

представляемые к защите научные положения.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена описанию свойств

полупроводниковых соединений А3В5, электрических и люминесцентных

характеристик светодиодных гетероструктур на их основе.

В §1.1 описаны основные свойства бинарных соединений ваБЬ, ГпАв и

1пБЬ и твердых растворов на их основе ХпАэБЬ и СаГпАвЗЬ, использующихся

при создании оптоэлектронных приборов для средней инфракрасной области

спектра в качестве материалов активной области. Приведены основные

параметры зонной структуры полупроводниковых соединений АЮаАвЗЬ и

1пА58ЬР, которые применяются в качестве широкозонных ограничительных

слоев в светодиодных гетероструктурах для спектрального диапазона 2-5 мкм.

В §1.2 рассмотрены электрические и люминесцентные свойства

гетероструктур на основе соединений А3В5.

Подпараграф 1.2.1 посвящен описанию механизмов протекания тока в

гетеропереходах и особенностям их вольт-амперных характеристик. В

подпараграфе 1.2.2 сообщается о люминесцентных свойствах гетероструктур,

особенностях излучательной и безызлучательной рекомбинации носителей

заряда в гетероструктурах в зависимости от типа гетероперехода.

Твердые растворы в системах Оа8Ь-1пА5-А18Ь и ТпАбТпБЬТпР образуют

гетеропереходы I и II типа. В гетероструктурах на основе гетеропереходов I

типа электроны и дырки локализуются и рекомбинируют в узкозонном слое. В

случае гетеропереходов II типа носители заряда локализуются по обе стороны

границы раздела в самосогласованных потенциальных ямах: электроны в

узкозонном материале, а дырки в широкозонном, поэтому рекомбинационный

процесс происходит преимущественно посредством туннелирования

9

носителей заряда через интерфейс с энергией излучения меньше ширины запрещенной зоны узкозонного материала.

Помимо излучательной рекомбинации в узкозонных гетероструктурах на основе соединений А3В5 существенную роль играет безызлучательная оже-рекомбинация носителей заряда, лимитирующая работу оптоэлектронных приборов при повышенных температурах. Для твердых растворов на основе ваБЬ и 1пАз характерна оже-рекомбинация СНСС-типа (рекомбинация электронно-дырочной пары с передачей энергии второму электрону зоны проводимости) и СННБ-типа (рекомбинация электронно-дырочной пары с возбуждением тяжелой дырки в спин-орбитально отщепленную зону) [7].

В однородных полупроводниках, в силу ограничений, накладываемых законами сохранения энергии и импульса на систему взаимодействующих частиц, оже-процессы являются пороговыми. В этом случае скорость безызлучательной рекомбинации при повышении температуры экспоненциально увеличивается [7]. Однако в гетероструктурах вблизи интерфейса при низких температурах (Г<300 К) возможны беспороговые механизмы оже-рекомбинации, при этом зависимость скорости безызлучательной рекомбинации от температуры носит степенной характер [8,9].

В §1.3 рассмотрены результаты работ по исследованию электролюминесцентных свойств светодиодов на основе антимонида галлия с активной областью ваГпАзЯЬ для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм, а также светодиодов на основе арсенида индия с активной областью ГлАвБЬ для спектрального диапазона 3-5 мкм.

Параграф 1.4 посвящен обзору немногочисленных экспериментальных исследований электролюминесцентных свойств светодиодов среднего инфракрасного диапазона при повышенных температурах в интервале от 290 К до 455 К.

Вторая глава является методической и содержит описание методов жидкофазной и газофазной эпитаксии, экспериментальных установок для измерения спектральных и вольт-амперных характеристик светодиодов в широком диапазоне температур от 90 К до 525 К (-180°С<Г<250°С). Рассмотрена оригинальная методика определения локальной температуры светодиодов в зависимости от режима работы: амплитуды, длительности и частоты следования импульсов тока.

Третья глава посвящена исследованию симметричных и несимметричных светодиодных гетероструктур на основе гетеропереходов первого (я-СаГпАзЗЬ/р-АЮаАвБЬ) и второго типа (п-Оа1пА5$Ь/р-Са5Ь) для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм в расширенном диапазоне температур от 90 К до 470 К.

В §3.1 представлены результаты исследования люминесцентных и электрических свойств гетероструктур II типа с активной областью на основе СаДпАвБЬ (0.84ос<0.95, 0.57эВ<£8<0.67 эВ) [А1, А2, АЗ].

В §3.1.1 рассмотрены свойства несимметричных светодиодных

гетероструктур п-Са5Ь/и-Сах1пАя8Ь//г-Са5Ь/р-АЮаАя8Ь, выращенных

методом ЖФЭ, с активной областью состава х=0.845 и 0.89. При комнатной

температуре спектры излучения светодиодов содержали только межзонную

полосу излучения с максимумом при /¡ута1=0.570 эВ (Ятл= 2.18 мкм) для

состава х=0.845 и при /гутаг=0.608 эВ (^„„^=2.04 мкм) для Х-0Я9. С ростом

температуры, вследствие сужения запрещенной зоны активной области,

спектры электролюминесценции смещались в область больших длин волн.

При этом зависимость положения максимума электролюминесценции от

температуры носила линейный характер. На основе экспериментальных

данных, исходя из выражения для прямых межзонных излучательный

переходов - кТ/2 [10], был рассчитан температурный коэффициент

изменения ширины запрещенной зоны при повышенных температурах

11

(300 К<Г<470 К): с1Е,/(1Т= -3.90-10"4 эВ/К и -3.71-10"4 эВ/К для твердого раствора Сах1п|_хАя8Ь с содержанием галлия х=0.845 и 0.90 соответственно.

При увеличении температуры от 290 К до 470 К мощность электролюминесценции Р экспоненциально уменьшалась пропорционально Р<хе.хр(Еа1кТ), где Еа - характеристическая энергия (рис. 1). На температурной зависимости оптической мощности Р = /(Т) для исследованных гетероструктур можно выделить три участка, характеризующиеся разным значением энергии Еа: первый участок в диапазоне от 290 К до 340 К с Еа~0.1 эВ, второй участок в области 360 К <7"<430 К с Еа~0.2 эВ и третий при температуре выше 7>440ч-450 К где наблюдался резкий спад мощности излучения (Еа> 1 эВ).

1 ооо/т, 1/К

Рис.1. Мощность излучения светодиодных гетероструктур п-Са8Ь/п-Сах1пА$8Ь/р-Са8Ь/р-А1СаА$БЬ в зависимости от температуры

В §3.1.1 показано, что в активной области из твердого раствора СаДпАзЯЬ (0.89<х<0.845) реализуется преимущественно два канала рекомбинации носителей заряда: излучательная рекомбинация и безызлучательная оже-рекомбинация СНШ-типа (аннигиляция электронно-дырочной пары сопровождается возбуждением тяжелой дырки в спин-орбитально отщепленную зону). При этом экспоненциальное уменьшение мощности

12

обусловлено ростом скорости безызлучательного "резонансного" оже-процесса СННБ-типа в области температур 7=290-^340 К и снижением скорости излучательной рекомбинации в области температур 7=2904-470 К

В работе [11] для предотвращения утечки дырок из активной области п-Са1пА88Ь и увеличения мощности электролюминесценции было предложено использовать гетероструктуру /г-СаЗЬ/р-СаЯЬ/и-Са^АвЗЬ/р-СаБЬ/р-АЮаАзЗЬ с дополнительным иолуизолирующим слоем из р-ваБЬ. Поскольку данный метод может быть эффективен и при повышенных температурах были исследованы электролюминесцентные свойства подобной гетероструктуры с активной областью на основе твердого раствора Сао.мзГпАвБЬ (£^=0.67 эВ при 7"=300 К).

При температуре Т=300 К энергия фотона в максимуме спектра излучения гетероструктуры и-Оа8Ь//?-Оа8Ь//г-Саод451пА58Ь//?-Са5Ь/р-А1СаА88Ь

составляла /;у„,ял=0.681 эВ (Я„шл=1.82 мкм), а при нагреве уменьшалась пропорционально (111У,„а/с1Т=4А5-10"4 эВ/К. При этом характер изменения мощности излучения в зависимости от температуры был аналогичен случаю описанных выше светодиодных гетероструктур »-ОаЯЬЛг-СаИяАяЯЬ/р-Са^Ь/ р-АЮаАвЗЬ, включая участок резкого спада мощности электролюминесценции при Г>440 К (рис.2). Анализ зонной диаграммы гетероструктуры и параметров твердого раствора //-ОаошДпАчЯЬ показал, что использование дополнительного иолуизолирующего слоя р-Оа8Ь для предотвращения утечки дырок из активной области эффективно и при повышенных температурах вплоть до 470 К. Однако увеличение собственной концентрации носителей заряда в активной области гетероструктуры /;-Оа1пА88Ь при повышении температуры стимулирует протекание безызлучательных оже-процессов СНСС и СНШ-типа и приводит к резкому спаду мощности излучения при Г>440 К.

ОАО

0 35

0 25

£ 0 20

сц

0.15

0 10

0.05

0 00

i ооо/т, 1/к

2 4 2.6 2,8 ;

.340 365 3!Х> 415 440 465 490

т, К

-7 0

-7.5

<*• 8.0

е -Е> 5

Я

-9.0

А

и я -9.5

01 -100

а

-10.5

-11.0

-115

-12.0

Рис.2. Зависимость мощности излучения гетероструюпуры п-Са$Ь/р-Са$Ь/п-Са,)Мс,1пАх8Ь/р-Са8Ь/р-А1СаАх5Ь от температуры

В §3.1.2, §3.2 и §3.3 представлены результаты исследования электрических и люминесцентных свойств симметричных гетероструктур на основе гетероперехода I типа п-СаВЬ/р-АЮаАзЗЬ/л-Сао.гДпАзБЬ/р-АГСаАвЗЬ и на основе гетероперехода II типа /1-Са8Ь//?-А1СаА88Ь/;|-Оао.91пА88Ь//7-Са8Ь//?-АЮаАББЬ в диапазоне температур от 90 К до 470 К. При повышенных температурах (7>290 К) электролюминесцентные свойства симметричных и рассмотренных выше несимметричных светодиодных гетероструктур подобны, причем уменьшение мощности излучения не зависит от типа гетероперехода и определяется исключительно объемными рекомбинационными процессами.

В §3.4 представлены результаты сравнительного исследования локальной температуры активной области н-Сао.^пАвЗЬ и /»-«-перехода симметричных светодиодных гетероструктур и-Са8Ь//г-А1СаА88Ь//г-Са1пА$8Ь/(р-Оа8Ь)/ р-АЮаА58Ь на основе гетероперехода I и II типа в зависимости от режима работы: амплитуды (/=0-г400 мА) и длительности (г=0.6-н20 мкс) питающих импульсов тока (при частоте /=16 кГц). В гетероструктуре II типа при протекании тока в прямом направлении обнаружено и исследовано термоэлектрическое охлаждение р-/г-перехода п-Са1пА$8Ь//7-Са8Ь [12].

В четвертой главе диссертации представлены результаты исследования высокотемпературных электрических и люминесцентных свойств ('/'=2904-470 К) светодиодных гегероструктур на основе н-InAs, излучающих в спектральном диапазоне 3-5 мкм, с узкозонной активной областью «-InAsi_xSbv (0<.v<0.12) и широкозонными ограничительными слоями на основе InAsSbP [А4].

В § 4.1 рассмотрены электрические и спектральные свойства светодиодов на основе гетероструктуры /bInAs//>-InAs/^-lnAso4s$boi 7^050 (Л,гад~3.4 мкм при Т=300 К) в двух конструкционных исполнениях: с верхним точечным контактом и тина flip-chip [А5, А6, А7]. Существенных отличий в электрических и люминесцентных свойствах двух типов светодиодов во всем исследованном диапазоне температур (290-г470 К) обнаружено не было. При комнатной температуре максимум спектра излучения находился при /(v„,„,=0.368 эВ (Л„МЛ—3.37 мкм), а мощность излучения составляла /'=40 мкВт. При увеличении температуры спектр излучения светодиода смещался в область больших длин волн, при этом зависимость положения максимума электролюминесценции hvmax от температуры носила линейный характер. Из экспериментальных данных был рассчитан температурный коэффициент изменения ширины запрещенной зоны арсенида индия для области повышенных температур: dE/dT= -3.29-10"4 эВ/К при 290 К<Г<470 К.

При увеличении температуры мощность излучения экспоненциально уменьшалась, при этом характеристическая энергия Ea=d(LnP)l(\lkT) монотонно увеличивалась от 0.15 эВ при 7=290 К до 0.50 эВ при Г=440 К. Дальнейшей нагрев гетероструктуры от 440 К до 470 К сопровождался резким падением мощности излучения: величина Еа возрастала от 0.60 эВ до 2.75 эВ.

В § 4.2 сообщается о результатах сравнительного исследования локального разогрева р-л-перехода светодиодов па основе гетероструктуры

/1-1пА5/р-1пА5/р-1пАз8ЬР в двух вариантах конструкционного исполнения, описанных в § 4.1.

В § 4.3 рассмотрены спектральные и электрические свойства симметричной гетероструктуры с тройным твердым раствором в активной области /!-1пхА8]_х8Ь (.х=0.09-0.093) и широкозонными ограничительными слоями из InAso.55Sbo.15Po.30 (Л„,««=3.85-3.95 мкм при 7=290 К) [А8].

При комнатной температуре протекание тока через гетероструктуру определялось туннельным механизмом независимо от полярности приложенного напряжения. По этой причине обратная ветвь вольт-амперной характеристики не имела участка насыщения тока, а прямая ветвь хорошо описывалась эмпирическим выражением: I « ехр(Аи)ехр(ВТ), где А н В -константы [13]. При увеличении температуры в прямой ветви вольт-амперной характеристики проявлялась термическая эмиссия носителей заряда: дырки из активной области //ЛпАвЯЬ частично уходили в широкозонный слой /(-ТпАяБЬР. При этом в обратной ветви вольт-амперной характеристики появлялась диффузионная составляющая тока, вклад которой в суммарный ток через гетероструктуру увеличивался с ростом температуры.

Спектры излучения рассматриваемой гетероструктуры имели уширение в области коротковолнового крыла, вызванное пзлучательной рекомбинацией носителей заряда в широкозонном слое /7-InAso.55Sbo.15Po.30 [14]. При нагреве от 290 К до 470 К вклад коротковолновой компоненты спектра в интегральную оптическую мощность увеличивался, что приводило к немонотонному характеру зависимости величины максимума электролюминесценции от температуры.

При повышении температуры мощность излучения экспоненциально

уменьшалась, при этом характеристическая энергия Еа монотонно

увеличивалась от 0.12 эВ при Г=290 К до 0.50 эВ при 7"=470 К. В § 4.3

показано, что в светодиодных гетероструктурах с активной областью из

16

1пА58Ьх (0<х<0.12) экспоненциальное уменьшение мощности излучения обусловлено действием двух безызлучательных оже-процессов: СНСС-процесса, сопровождающегося возбуждением электрона зоны проводимости, и "резонансного" СННБ-процесса, сопровождающегося возбуждением тяжелой дырки в зону проводимости. При увеличении температуры, а также с ростом концентрации антимонида индия в растворе ¡пАвЗЬ*, вследствие увеличения пороговой энергии СНН8-процесса и уменьшения пороговой энергии СНСС-процесса, скорость рекомбинации СНСС-типа увеличиваться, в то время как СННБ-типа - уменьшаться.

В § 4.4 приводятся результаты исследования электролюминесцентных и вольт-амперных характеристик симметричной светодиодной гетероструктуры и-1пА5/л-1пА85Ьо.об/и-1пА85ЬР//2-1пА58Ьо12/р-1пА58ЬР с активной областью п-1пА88Ь012 (Е8=0.26 эВ при Т=290 К), выращенной методом жидкофазной эпитаксии. При комнатной температуре максимум спектра излучения находился при /гу„и>=0.276 эВ (/,„„=4.5 мкм), мощность излучения составляла Р=0.95 мкВт. При повышении температуры от 290 К до 470 К спектр излучения смещался в область больших длин волн, что соответствовало сужению запрещенной зоны активной области ГпАББЬолг пропорционально с1Е/с1Т= -1.52-10"4 эВ/К, при этом мощность излучения экспоненциально уменьшалась (Ргжк/Ршк ~ 70 раз). Причем при температуре 71=390 К характеристическая энергия Еа=<1([мР)/с1(1/кТ) увеличивалась от 0.14 до 0.65 эВ (рис.3, слева). В § 4.4 показано, что увеличение энергии Еа при повышении температуры обусловлено переходом твердого раствора активной области ГпАзБЬолг в область собственной проводимости: рост концентрации носителей заряда в InAs.Sbo.i2 стимулирует протекание безызлучательных оже-процессов СНСС и СННБ-типа и приводит к резкому саду мощности излучения при 7>390 К.

Рис.3. Зависимость мощности излучения светодиодной гетероструктуры п-1пАз/п-1пАз8Ьом/п-1пА$8ЬР/п-1пАз8Ь0Л1/р-1пАз8ЬР от обратной температуры в полулогарифмических координатах (слева).

Семейство вольт-амперных характеристик (справа)

При Т=290 К прямая ветвь вольт-амперной характеристики имела диодный вид (рис.3, справа). При повышении температуры от 290 К до 420 К, вследствие увеличения собственной концентрации носителей заряда в активной области, напряжение отсечки исш, характеризующее высоту потенциального барьера р-п-перехода, линейно уменьшалось от 190 мВ до нуля. При температуре большей Г>420 К вольт-амперная характеристики принимала омический вид. При этом, несмотря на исчезновение р-п-перехода, при положительном смещении гетероструктура продолжала люминесцировать.

Пятая глава посвящена исследованию высокотемпературной электролюминесценции в светодиодных гетероструктурах на основе антимонида галлия с узкозонной активной областью п-1пСаА$8Ь (Е^-0.3 эВ) и высоким потенциальным барьером в зоне проводимости (ЛЕс>Ее, где АЕС - скачок потенциала в зоне проводимости, Ее - ширина запрещенной зоны активной области и-ЬСаАвЗЬ), в которых, согласно работе [15] при температурах 7=77 К и 300 К имела место суперлинейная люминесценция и увеличение оптической мощности за счет создания дополнительных электронно-дырочных

пар при ударной ионизации электронами, разогретыми на скачке потенциала зоны проводимости [А9].

При комнатной температуре в спектре электролюминесценции гетероструктуры п-СаЗЬ/л-ТпСаАзБЬ/р-АЮаАзЗЬ (АЕ,=().19 эВ, £,,=0.284 эВ при Г=300 К) наблюдалось два пика: длинноволновый £] (/гута^=0.28 эВ), соответствующий излучательной рекомбинации в активной области гетероструктуры п-1пСаА$8Ь, и коротковолновый Е2 (кутах=0.64 эВ), обусловленный излучательной рекомбинацией в широкозонном слое и-ОаБЬ (рис.4).

В ходе исследований было обнаружено аномальное поведение мощности излучения длинноволновой компоненты спектра Е/ в зависимости от температуры: при нагреве в интервале температур от 290 К до 340 К наблюдалось сверхлинейное, а при температуре свыше 7Ь>340 К - линейное увеличение мощности излучения (рис.5). В тоже время при повышении температуры от 290 К до 340 К и токе накачки величиной 1=0.3 А мощность излучения коротковолновой компоненты спектра £2 незначительно возрастала, а при более высоких температурах (340 К <Г<470 К) - линейно уменьшалась.

10

Рис.4. Спектр излучения гетероструктуры п-Са8Ь/п-1пСаЛ.ч8Ь/р-АЮаАяБЬ при температуре Т=300 К

При Т=290 К ватт-амперная характеристика длинноволновой полосы Е] имела явно выраженный сверхлинейный характер и хорошо аппроксимировалась степенной функцией вида: Р = А- 1В, где А - подгоночный параметр, В=1.54 - показатель степени, характеризующий нелинейность электролюминесценции. В то же время, для коротковолновой полосы Е2 ватт-амперная характеристика имела более сложный характер. При токе меньшем /<1.2 А мощность излучения £2 сверхлинейно возрастала (Б=1.54), а при увеличении тока свыше />1.2 А данная зависимость носила сублинейный характер.

Temperature, К

Рис.5. Зависимость мощности излучения длинноволновой полосы Ei от температуры при нескольких значениях тока: 1 - 310 мА, 2 - 560 мА, 3 - 810 мА, и мощности коротковолновой полосы Е2 при токе 310 мА (4)

При нагреве гетероструктуры вид ватт-амперных характеристик менялся.

В случае длинноволновой компоненты спектра Ei, повышение температуры

сопровождалось уменьшением показателя степени В, и при Г>330 К

зависимость мощности излучения от тока накачки носила сублинейный

характер. В случае коротковолновой компоненты спектра £г> на фоне общего

20

уменьшения мощности, ватт-амперная характеристика спрямлялась и при температуре 7>330 К была близка к линейной (В = 1 ± 0.1).

Для объяснения полученных результатов рассмотрим зонную диаграмму данной гетероструктуры (рис.6). При приложении прямого смещения электроны из слоя /;-Са8Ь, разогретые на скачке потенциала

-Х1,л.«л«.®-/!^!. = 0-79эВ (/ - электронное сродство), обладают энергией, превышающей ширину запрещенной зоны твердого раствора в ~ 2.8 раза, и поступают в узкозонный слой /¡-¡пСаАяЗЬ, где посредством ударной ионизации могут создавать дополнительные дырки, участвующие в излучательной рекомбинации. Пороговая энергия ударной ионизации, инициируемая электронами, в узкозонном слое при Г-290 К составляет ек. = £е[1 + ш,./('",.+'»,,)] = О.ЗОэВ (т,. н /7?/, - эффективные массы электронов и тяжелых дырок) [15]. Дырки, образующиеся в узкозонном слое в процессе ударной ионизации, частично рекомбинирует с электронами, давая вклад в полосу £■/, а также под действием электрического поля переходят в подложку /(-СаБЬ, где локализуется в потенциальной яме на гетерогранице и-ваБЬ/ 7;-1пСаА58Ь и излучательно рекомбинирует с электронами, вызывая появление коротковолновой компоненты спектра Е2 (рис.6).

ЛЕ,=0.79е\'

Рис.6. Зонная диаграмма гетероструктуры н -СаЯ1)ЛI- 1пСаА хБЬ/р-А IСаАири прямом смещении

При повышении температуры, вследствие сужения запрещенной зоны активной области, пороговая энергия ударной ионизации уменьшается от 0.30 эВ при Т=290 К до 0.23 эВ при Т=470 К [15,16], поэтому при нагреве гетероструктуры количество дырок, образующихся в узкозонном слое посредством ударной ионизации, увеличивается, что приводит к росту скорости излучательной рекомбинации в /¡-ГпСаАяБЬ и мощности излучения длинноволновой компоненты спектра Е;. Повышение температуры также сопровождается увеличением скорости безызлучательной оже-рекомбинации СНСС-типа: обратного процесса ударной ионизации инициируемой электронами. Потому при Т>330 К ватт-амперные характеристики длинноволновой компоненты спектра имеют сублинейный вид. В слое /¡-ваБЬ при комнатной температуре и увеличении тока накачки рост концентрации дырок, поступающих из активной области, стимулирует протекание безызлучательно СНШ-процесса, поэтому характер зависимости мощности излучения от тока накачки меняется от сверхлинейного к сублинейному.

В заключении сформулированы основные результаты проведенных исследований:

I. Исследованы люминесцентные, рекомбииационные и электрические свойства симметричных и несимметричных светодиодных гетероструктур для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм на основе антимонида галлия с активной областью из твердого раствора СаДпАяБЬ (0.84<.г<0.95) в широком диапазоне температур от 90 К до 470 К. Установлено, что увеличение температуры сопровождается экспоненциальным уменьшением мощности излучения, обусловленное снижением скорости излучательной рекомбинации и влиянием "резонансного" СНШ-ироцесса оже-рекомбинации.

2. Проведены сравнительные исследования локальной температуры р-п-

перехода в симметричных светодиодных гетероструктурах первого /¡-СаЯЬ/

;?-А1СаА85Ь///-Оао.91пА55Ь//>-А1СаА58Ь и второго типа ;;-Са8Ь//7-АЮаАх8Ь/

22

/г-Са0сДпА88Ь/р-Са8Ь/р-А1СаА88Ь в зависимости от режима работы (амплитуды и длительности питающих импульсов тока). Установлено, что в гетероструктуре I типа перегрев р-н-перехода не превышает ЛТ^а<20 К, а в гетероструктуре II типа, вследствие термоэлектрического охлаждения р-н-перехода, величина АТ,.а не превышает 10 К.

3. Исследованы люминесцентные, рекомбинационные и электрические свойства светодиодных гетероструктур на основе арсенида индия для спектрального диапазона 3-5 мкм с узкозонной активной областью из /;-1пА81-х8Ьх (0<л<0.12) и широкозонными ограничительными слоями 1пА$8ЬР при повышенных температурах в диапазоне от 300 К до 470 К. Установлено, что с ростом температуры экспоненциальное уменьшение мощности излучения обусловлено действием двух безызлучательных оже-процессов: "резонансного" СНН8-процесса, когда ширина запрещенной зоны активной области близка к энергии спин-орбитального расщепления валентной зоны, и СНСС-процесса, при этом вклад последнего процесса в суммарную скорость безызлучательной рекомбинации при повышении температуры увеличивается

4. Показано, что предельная рабочая температура инфракрасных светодиодов с активной областью на основе твердого раствора СаА1пД88Ь (0.84<л<0.95) для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм составляет не менее 430 К, а для светодиодов с активной областью на основе 1пА81_х8Ьх (0<х<0.12) для спектрального диапазона 3-5 мкм - не менее 390 К. Показано, что максимальная рабочая температура светодиодов для средней инфракрасной области спектра близка к температуре перехода активной области к собственной проводимости.

5. Установлено, что в диапазоне температур от 300 К до 470 К температурное сужение запрещенной зоны твердых растворов ГлАвЗЬ, (0<л<0.12) и СаДпАвЗЬ (0.84<л<0.95) носит линейный характер и

определяется преимущественно электрон-фононным взаимодействием.

23

Найдены соответствующие значения температурных коэффициентов: dE^dT~-{ 1.5-нЗ.З)-10"4 эВ/К для InAsSb и dE/dT=-(З.б-кЗ.9)-Ю4 эВ/К для GalnAsSb.

6. Впервые обнаружено увеличение мощности излучения при повышении температуры в диапазоне от 300 К до 470 К светодиодной гетероструктуры /i-Ga.Sb//i-In()<j56Gan.044AsSb//)-AlGaAs.Sb с высоким потенциальным барьером в зоне проводимости на гетерогранице /¡-GaSb/zj-InGaAsSb (Д£( =0.79 эВ), существенно превышающим ширину запрещенной зоны активной области InGaAsSb (£¿,-0.284 эВ, Г=300К), в которой при комнатной температуре имеет место суперлинейная люминесценция и увеличение оптической мощности за счет создания дополнительных электронно-дырочных пар при ударной ионизации электронами, разогретыми на скачке потенциала ЛЕС. Установлено, что нетипичная температурная зависимость мощности электролюминесценции обусловлена снижением пороговой энергии ударной ионизации, вследствие уменьшения ширины запрещенной зоны активной области /¡-InGaAsSb.

Список основных публикации по теме диссертации

AI. A.A. Петухов, Б.Е. Журтанов, С.С. Молчанов, Н.Д. Стоянов, Ю.П. Яковлев «Электролюминесцентные характеристики светодиодов среднего ИК-диапазона на основе гетероструктур InGaAsSb/GaAlAsSb при высоких рабочих температурах» // ЖТФ, 81 (4), С.91-96 (2011).

А2. A.A. Петухов, Б.Е. Журтанов, Ю.П. Яковлев «Электролюминесцентные свойства светодиодов среднего ИК-диапазона для приборов медицинской диагностики при высоких рабочих температурах» // Сборник трудов VII международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2012» 15-19 октября, Санкт-Петербург, С.511-513 (2012).

A3. A.A. Петухов, Б.Е. Журтанов, Н.Д. Стоянов, Ю.П. Яковлев

«Электролюминесцентные свойства светодиодов среднего ИК-диапазона на

24

основе гетероструктур GalnAsSb/GaAlAsSb при высоких рабочих температурах» // Сборник тезисов IX международной научной конференции «Лазерная физика и оптические технологии» 30 мая - 2 июня 2012, Гродно, С. 188 (2012).

А4. А.С. Головин, А.А. Петухов, С.С. Кижаев, Ю.П. Яковлев «Светодиоды на основе гетероструктур InAsSbP/InAsSb (А=4.7 мкм) для детектирования угарного газа» II Письма в ЖТФ, 37 (11), С. 15-19 (2011).

А5. А.А. Петухов, Н.Д. Ильинская, С.С. Кижаев, Н.Д. Стоянов, Ю.П. Яковлев «Влияние температуры на электролюминесцентные свойства flip-chip светодиодов среднего РЖ-диапазона на основе гетероструктуры In As/In AsSbP» //ФТП, 45 (11), С. 1560-1563 (2011).

А6. А.А. Петухов, Ю.П. Яковлев «Электролюминесцентные свойства светодиодов среднего ИК-диапазона (i„„,~3.4 мкм) на основе гетероструктуры InAs/InAsSbP при высоких рабочих температурах» // Тезисы докладов 14 всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, 26-30 ноября, Санкт-Петербург, С.84 (2012).

А7. А.А. Петухов, С.С Кижаев, Н.Д. Стоянов, Ю.П. Яковлев «Электролюминесцентные свойства светодиодов среднего ИК-диапазона (/,„„л~3.4 мкм) на основе гетероструктуры InAs/InAsSbP при температуре 20-200°С» // Тезисы докладов Российской молодежной конференции по физике и астрономии 24-25 октября, Санкт-Петербург, С. 137-139 (2012).

А8. А.А. Петухов, С.С. Кижаев, С.С. Молчанов, Н.Д. Стоянов, Ю.П. Яковлев «Электрические и электролюминесцентные свойства светодиодов /1=3.85-3.95 мкм на основе InAsSb в интервале температур 20-200 °С» // ЖТФ, 82(1), С.73-76 (2012).

А9. А.А. Петухов, Б.Е. Журтанов, К.В. Калинина, Н.Д. Стоянов, Х.М.

Салихов, М.П. Михайлова, Ю.П. Яковлев «Высокотемпературная

25

люминесценция в светодиодной гетероструктуре /i-GaSb//i-InGaAsSb/p-AlGaAsSb с высоким потенциальным барьером» // ФТП, 47 (9), С. 1270-1275 (2013).

Цитируемая литература

[1] В. Stuart «Infrared spectroscopy: fundamentals and applications», 2004, John Wiliy& Sons, Ltd ISBNs: 0-470-85427-8 (HB); 0-470-85428-6 (PB).

[2] N. Yamazoe. Sensors and Actuators B, 108, 2-14 (2005).

[3] E. Hawe, P. Chambers, C. Fitzpatrick, E. Lewis. Meas. Sci. Technol. 18, 31873194 (2007).

[4] C.E. Александров, Г.А. Гаврилов, А.А. Капралов, Б.А. Матвеев, Г.Ю. Сотникова, М.А. Ременный. ЖТФ, 79 (6), 112 (2009).

[5] Т.Н. Данилова, Б.Е. Журтанов, А.Н. Именков, Ю.П. Яковлев. ФТП, 39 (11), 1281 (2005).

[6] Н.В. Зотова, Н.Д. Ильинская, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, Н.М. Стусь. ФТП. 42 (6), 641 (2008).

[7] Абакумов В.Н., Перель В.И, Яссиевич И.Н. «Безызлучательная рекомбинация в полупроводниках», СПб.:ПИЯФ, 1997. 375 с.

[8] Г.Г. Зегря, В.А. Харченко. ЖЭТФ, 101 (1), 327 (1991).

[9] Г.Г. Зегря, А.Д. Андреев. ЖЭТФ, 109 (2), 615 (1996).

[10] М Айдаралиев., Н.В. Зотова, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, Н.М. Стусь, Г.Н. Талалакин. ФТП, 35 (12), 1431 (2001).

[11] Стоянов Н.Д., Журтанов Б.Е., Именков А.Н., Астахова А.П., Михайлова М.П., Яковлев Ю.П. ФТП, 41 (7), 878 (2007).

[ 12] В.И. Стафеев. ФТП, 43 (10), 1321 (2009).

[13] Шарма Б.Л., Пурохит Р.К «Полупроводниковые гетеропереходы», М.: "Сов.радио", 1979

[14] W.J. Duncan, A.S.M. АН, Е.М. Marsh, Р.С. Spurdens J. Cryst. Growth. 1994. V. 143. P. 155-161.

[15] K.B. Калинина, М.П. Михайлова, Б.Е. Журтанов, Н.Д. Стоянов, Ю.П. Яковлев. ФТП, 47 (1), 75 (2013).

[16] I. Vurgaftman, J.R. Merey. J. Appl. Phys. 89 (11), 5815-5875 (2001).

Подписано в печать 29.08.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 10888Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. А.Ф. ИОФФЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201362263

ПЕТУХОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Высокотемпературные светодиоды для среднего ИК-диапазона на основе узкозонных гетероструктур соединений А3В5

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Яковлев Юрий Павлович

Санкт-Петербург 2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................... 5

ГЛАВА 1. Светодиоды для среднего инфракрасного диапазона

(2-5 мкм) на основе узкозонных соединений А3В5 (обзор литературы).............. 13

1.1. Свойства узкозонных соединений А3В5 и твердых растворов на их основе..................................................................................................................... 13

1.1.1. Свойства бинарных соединений ваБЬ, ШАб и 1пБЬ........................... 13

1.1.2. Свойства твердых растворов СаХпАзБЬ, АЮаАвЗЬ, ХпАбБЬ и ЫАзБЬР.............................................................................................................. 17

1.2. Свойства гетероструктур............................................................................... 19

1.2.1. Электрические свойства гетероструктур. Механизмы протекания токов................................................................................................................... 20

1.2.2. Люминесцентные свойства гетероструктур: излучательная и безызлучательная рекомбинация.................................................................... 28

1.3. Электролюминесцентные свойства светодиодов средней ИК области спектра.................................................................................................................... 38

1.4. Зависимость электролюминесцентных свойств ИК светодиодов от температуры........................................................................................................... 47

1.5. Выводы к главе 1............................................................................................ 51

ГЛАВА 2. Методика эксперимента......................................................................... 52

2.1.Методика жидкофазной эпитаксии светодиодных гетероструктур СаА1А88Ь/Са1пА88Ь для спектрального диапазона 1.8-2.4 мкм...................... 52

2.2. Методика газофазной эпитаксии светодиодных гетероструктур ЫАвЗЬЯпАзЗЬР для спектрального диапазона 3-5 мкм.................................... 53

2.3. Установка для измерения спектральных характеристик светодиодов в интервале температур от 290 до 520 К (204-250 °С).......................................... 54

2.4. Методика определения интегральной мощности излучения и спектральной плотности мощности светодиодов.............................................. 59

2.5. Установка для измерения спектральных характеристик светодиодов в интервале температур от 90 до 320 К (-180-^50 °С)........................................... 60

2.6. Установка для измерения вольт-амперных характеристик светодиодов 62

2.7. Методика измерения локальной температуры р-и-перехода светоизлучающих диодов..................................................................................... 63

2.8. Выводы к главе 2............................................................................................ 67

ГЛАВА 3. Исследование температурных зависимостей (90-f-470 К) электролюминесцентных свойств светодиодов для спектрального диапазона 1.6-2.4мкм................................................................................................................ 68

Введение................................................................................................................ 68

3.1. Изучение электролюминесцентных свойств светодиодных гетероструктур на основе гетеропереходов II типа в системе GalnAsSb/ GaSb/GaAlAsSb..................................................................................................... 69

3.1.1. Изучение высокотемпературных электролюминесцентных свойств несимметричных светодиодных гетероструктур на основе гетероперехода II типа в системе GalnAsSb/GaSb/GaAlAsSb...................... 70

3.1.2. Изучение электролюминесцентных свойств симметричных светодиодных гетероструктур на основе гетероперехода II типа в

системе AlGaAsSb/GalnAsSb/GaSb/AlGaAsSb.............................................. 93

3.2. Изучение электролюминесцентных свойств светодиодных гетероструктур на основе гетероперехода I типа в системе AlGaAsSb/GalnAsSb/AlGaAsSb........................................................................... 99

3.3. Сравнительный анализ температурных зависимостей электролюминесцентных свойств светодиодных гетероструктур в зависимости от типа гетероперехода в диапазоне температур

от 90 К до 470 К.................................................................................................. 102

3.4. Исследование термоэлектрических эффектов в светодиодных гетероструктурах на основе гетеропереходов I (GalnAsSb/AlGaAsSb) и

II типа (GainAsSb/GaSb)..................................................................................... 104

3.5. Выводы к главе 3.......................................................................................... 114

ГЛАВА 4. Исследование высокотемпературных зависимостей (290-Н520 К) электролюминесцентных свойств светодиодов для спектрального диапазона

3 - 5 мкм....................................................................................................................

Введение.............................................................................................................. 116

4.1. Изучение высокотемпературных электролюминесцентных свойств светодиодных гетероструктур для спектрального диапазона X ~ 3.4 мкм

в системе InAs/InAsSbP...................................................................................... 116

4.2. Исследование локального перегрева р-п-перехода светодиодов для спектрального диапазона X ~ 3.4 мкм на основе гетероструктуры InAs/InAsSbP....................................................................................................... 125

4.3. Изучение высокотемпературных электролюминесцентных свойств светодиодных гетероструктур для спектрального диапазона X ~ 4.0 мкм

в системе InAsSbP/InAsSb/InAsSbP.................................................................. 130

4.4. Изучение высокотемпературных электролюминесцентных свойств светодиодных гетероструктур для спектрального диапазона X ~ 4.5 мкм

в системе InAsAnAsSb0.06^nAsSbP/InAsSb0.i2/InAsSbP................................... 142

4.5. Выводы к главе 4......................................................................................... 149

ГЛАВА 5. Исследование высокотемпературных зависимостей

(290-^470 К) электролюминесцентных свойств светодиодных гетероструктур

с высоким потенциальным барьером в зоне проводимости.............. ................. 150

Введение................................................................................................................ 150

5.¡.Исследование высокотемпературной электролюминесценции в анизотипной n-GaSb/rc-InGaAsSb/p-AlGaAsSb гетероструктуре с высоким потенциальным барьером в зоне проводимости................................................ 151

5.2. Исследование высокотемпературной электролюминесценции в изотипной n-GaSb/rc-AlGaAsSb/n-InGaAsSb гетероструктуре с высоким потенциальным барьером в зоне проводимости................................................ 167

5.3. Выводы к главе 5............................................................................................ 174

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................... 175

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................... 181

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. На протяжении последних десятилетий в ФТИ им. А.Ф. Иоффе ведутся исследования, направленные на создание светодиодов

о с

для среднего инфракрасного диапазона на основе соединений А В . Спектральная область 1.5-5.0 мкм актуальна для решения задач в области газового анализа, экологического мониторинга, промышленной безопасности и неинвазивной медицинской диагностики, поскольку в данном спектральном диапазоне находятся характеристические полосы поглощения многих органических и неорганических веществ (метана, аммиака, ацетона, воды, монооксида и диоксида углерода, сероводорода, азота, и т.д.) [1-9].

Для решения многих прикладных задач необходимо обеспечить стабильную работу и заданные технические характеристики светодиодов при повышенных температурах: вплоть до 425 К (150°С). Однако, исследование светодиодных гетероструктур для средней инфракрасной области спектра, как правило, ограничено диапазоном температур от 77 К до 300 К. На данный момент комплексного изучения высокотемпературной электро-

3 5

люминесценции светодиодных гетероструктур на основе соединений А В не проводилось, поэтому отсутствует понимание физических ограничений на эффективность излучательной рекомбинации при повышенных температурах в диапазоне от 300 К до 470 К (25-200°С). Поэтому представляет значительный научный и практический интерес исследование люминесцентных и рекомбинационных свойств светодиодных

3 5

гетероструктур на основе соединений А В при повышенных температурах. Также актуальна задача увеличения квантовой эффективности и мощности излучения светодиодов, излучающих в спектральной области 4-5 мкм [10,11].

Цель работы: Исследование люминесцентных, рекомбинационных и электрических свойств светодиодных гетероструктур на основе гетеропереходов I и II типа для средней инфракрасной области спектра

(1.6-5.0 мкм) в системах твердых растворов Са8Ь-1пА8-А18Ь и 1пА8-1п8Ь-1пР при повышенных температурах в диапазоне от 300 К до 470 К (25-200°С).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Исследование люминесцентных и электрических свойств, процессов излучательной и безызлучательной рекомбинации в симметричных и несимметричных светодиодных гетероструктурах на основе гетеропереходов первого (и-СаГпАзЗЬ/р-АЮаАзЗЬ) и второго типа (и-Са1пА88Ь/р-Са8Ь), выращенных методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), для спектральной области 1.6-2.4 мкм в диапазоне температур от 90 К до 470 К.

• Исследование люминесцентных, рекомбинационных и электрических характеристик длинноволновых светодиодных гетероструктур (Ятах=3-5 мкм), выращенных методами ЖФЭ и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОГФЭ), на подложке м-1пА8 с использованием узкозонных твердых растворов 1пА8;_х8Ьх (0<х<0.12) в качестве активной области и широкозонных твердых растворов 1пА88ЬР для ограничения носителей заряда в диапазоне температур от 300 К до 470 К.

• Исследование высокотемпературной электролюминесценции изотипной и-Са8Ь/п-АЮаА88Ь/п-1пСаА88Ь и анизотипной и-ваЗЬ/ л-1пСаА85Ь//7-АЮаА88Ь светодиодных гетероструктур, выращенных методом ЖФЭ, с узкозонной активной областью п-1пСаА88Ь (£^=0.28 эВ) и высоким потенциальным барьером в зоне проводимости (ДЕс^О.8-^-1.1 эВ) в зависимости от тока накачки (0</<2.5 А) и температуры (300 К<Г<470 К).

Научная новизна результатов, полученных в работе состоит в следующем:

• Исследованы люминесцентные и рекомбинационные свойства светодиодных гетероструктур на основе ва8Ь с четверным твердым раствором Сах1пА88Ь (0.84ос<0.95) в активной области (Ятау= 1.6-2.4 мкм) в широком диапазоне температур от 90 К до 470 К. Установлено, что при

повышении температуры мощность излучения экспоненциально уменьшается вследствие увеличения скорости безызлучательной оже-рекомбинации СНН8-типа (рекомбинация электронно-дырочной пары с возбуждением тяжелой дырки в спин-орбитально отщепленную зону) и уменьшения скорости излучательной рекомбинации.

• Исследованы люминесцентные и рекомбинационные свойства светодиодных гетероструктур на основе л-1пА8 с твердым раствором и-1пА8].л8Ьх (0<х<0.12) в активной области для спектрального диапазона 3-5 мкм при повышенных температурах в диапазоне от 300 К до 470 К. Показано, что экспоненциальное уменьшение мощности излучения при увеличении температуры обусловлено действием безызлучательной оже-рекомбинации СНСС-типа (рекомбинация электронно-дырочной пары с возбуждением электрона зоны проводимости) и "резонансной" рекомбинации СНИБ-типа, когда ширина запрещенной зоны активной области близка к энергии спин-орбитального расщепления валентной зоны.

• Установлено, что при повышении температуры в диапазоне от 300 К до 470 К ширина запрещенной зоны твердых растворов 1пА88Ьх (0<х<0.12) и СаДпАзБЬ (0.84<*<0.95) линейно уменьшается пропорционально с1Е/с1Т=-(1.5+ЗЗУ№4 эВ/К и <1Е/с1Т=-(3.6^3.9)-10"4 эВ/К соответственно.

• Впервые обнаружено увеличение мощности излучения светодиодной гетероструктуры п-Са8Ь/п-1пСаА85Ь/р-АЮаА85Ь с высоким потенциальным барьером в зоне проводимости, в которой имеет место ударная ионизация, инициируемая разогретыми на скачке потенциала электронами, с ростом температуры. Установлено, что при нагреве от 300 К до 340 К происходит сверхлинейное, а при 7>340 К - линейное увеличением мощности излучения. Показано, что рост мощности излучения при увеличении температуры

обусловлен снижением пороговой энергии ударной ионизации, вследствие уменьшения ширины запрещенной зоны активной области п-1пСаА88Ь.

• Показано, что в светодиодной гетероструктуре и-СаЗЬ/л-АЮаАзБЬ/ п-Оа1пА88Ь/р-Са8Ь//?-АЮаА58Ь II типа при протекании тока в прямом направлении происходит термоэлектрическое охлаждение /7-п-перехода и активной области п-Сао.91пА88Ь (^=0.62 эВ при Т=300 К).

Практическая значимость работы;

• Предложен новый способ увеличения мощности излучения инфракрасных светодиодов для спектрального диапазона 3-5 мкм, предназначенных для работы при повышенных температурах (7=300-^470 К), за счет использования гетероструктур типа л-Са8Ь/л-1пОаА88Ь/р-АЮаА88Ь с высоким потенциальным барьером в зоне проводимости на гетерогранице п-Са8Ь/л-1пСаА58Ь и узкозонной активной областью п-1пСаА88Ь.

• Впервые показано, что светодиоды на основе л-Са8Ь для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм с активной областью п-Сах1п!_хА88Ь (0.84<х<0.95, 0.57 эВ<£'5<0.67 эВ) и широкозонными ограничительными слоями АЮаА88Ь могут эффективно работать как при комнатной температуре, так и при повышенных температурах вплоть до Г=440 К.

• Разработан оригинальный метод измерения температуры /?-л-перехода светоизлучающих диодов, который может быть использован в электрических схемах температурной компенсации оптических адсорбционных сенсоров.

• Установлено, что использование буферного полуизолирующего слоя /?-Са8Ь в светодиодной гетероструктуре /г-Са8Ь//?-Оа8Ь/п-Сао.9451пА88Ь/ /?-Са8Ь//?-АЮаА88Ь для предотвращения утечки дырок из активной области л-Оао.9451пА88Ь эффективно вплоть до температуры Г=440 К, выше которой увеличение собственной концентрации носителей заряда с ростом температуры стимулирует протекание оже-процессов и приводит к резкому саду мощности излучения при нагреве гетероструктуры.

Научные положения, выносимые на защиту;

1. В светодиодных гетероструктурах на основе /г-Са8Ь для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм с узкозонной активной областью п-СаДп/.дАзЗЬ (0.84<х<0.95, 0.57 эВ<£5<0.67 эВ) и широкозонными ограничительными слоями АЮаАзБЬ при повышении температуры в диапазоне от 300 К до 470 К мощность излучения экспоненциально уменьшается, что обусловлено ростом скорости безызлучательной оже-рекомбинации СИНБ-типа (рекомбинация электронно-дырочной пары с возбуждением второй дырки в спин-орбитально отщепленную зону) в области температур Т=300-340 К и снижением скорости излучательной рекомбинации в области температур Г=300-470К.

2. В светодиодных гетероструктурах на основе и-1пА8, излучающих в спектральном диапазоне 3.3-4.5 мкм, с узкозонной активной областью и-1пА51.х8Ьх (0<х<0.12, 0.26 эВ<£'г<0.35 эВ) и широкозонными ограничительными слоями на основе 1пА88ЬР при увеличении температуры в интервале от 300 К до 470 К экспоненциальное уменьшение мощности излучения обусловлено действием двух безызлучательных оже-процессов: "резонансного" СННБ-процесса, когда ширина запрещенной зоны активной области близка к энергии спин-орбитального расщепления валентной зоны, и СНСС-процесса (рекомбинация электронно-дырочной пары с возбуждением электрона зоны проводимости), при этом вклад последнего процесса в суммарную скорость безызлучательной рекомбинации при повышении температуры увеличивается.

3. В светодиодных гетероструктурах на основе антимонида галлия /г-Са8Ь/п-1пСаА88Ь/р-АЮаА88Ь, излучающих в спектральном диапазоне 4.3-4.5 мкм, с высоким потенциальным барьером в зоне проводимости на гетерогранице гс-СаЗЬ/п^пСаАзЗЬ (АЕС - 0.79 эВ), существенно превышающим ширину запрещенной зоны активной области МваАвБЬ

(Eg =0.284 эВ, Г=300К), в которой при комнатной температуре имеет место

суперлинейная люминесценция и увеличение оптической мощности за счет создания дополнительных электронно-дырочных пар при ударной ионизации электронами, разогретыми на скачке потенциала АЕс , при повышении температуры в диапазоне от 300 К до 340 К наблюдается сверхлинейное, а при температуре свыше 340 К - линейное увеличение мощности излучения, что обусловлено уменьшением пороговой энергии ударной ионизации электронов, вследствие температурного сужения запрещенной зоны активной области.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: IX международная научная конференция «Лазерная физика и оптические технологии» (30 мая - 2 июня 2012, г. Гродно, республика Беларусь); Четырнадцатая всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектроники (26-30 ноября 2012, г. Санкт-Петербург); VII международная конференция "Фундаментальные проблемы оптики" ФПО-2012 (15-19 октября 2012, г. Санкт-Петербург); Российская молодежная конференция по физике и астрономии для молодых ученых «ФизикА.СПб» (24—25 октября 2012, г. Санкт-Петербург); XI Российская конференция по физике полупроводников (16-20 сентября 2013, г. Санкт-Петербург).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах, библиографический список публикаций приведен в конце диссертации.

Структура диссертации. Диссертация сос