CC BY
29
УДК 621.315.592
М. Ю. Барабаненков, А. В. Ковальчук, Е. А. Полушкин, В. В. С и р о т к и н, Ю. В. Х о л о п о в а, С. Ю. Шаповал
ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕГО ДИОДА С ПЕРИОДИЧЕСКИ СТРУКТУРИРОВАННЫМ КОНТАКТОМ
Приведены результаты измерений электрических и оптических характеристик для InGaN/AlGaN/GaN/Al2Oз светодиода с периодически структурированным р-контактом. Показано, что применение такого контакта увеличивает КПД светодиода как минимум на 8%, позволяет получить плоский фронт и изменять значение критического угла для выводимого излучения за счeт приложенного к электроду-решетке напряжения. Показано, что применение дифракционной решeтки в качестве р-контакта изменяет вольт-фарадную характеристику и значительно уменьшает значение высокочастотной емкости.
Ключевые слова: люминесценция, дифракционная решетка, светодиод.
В настоящее время светодиоды на основе гетероэпитаксиальных структур широко применяются и рассматриваются в качестве источников освещения следующего поколения, которые заменят лампы накаливания и флуоресцентные лампы, как только будет получен световой поток не менее 150лм/Вт [1].
Вывод генерируемого в р-п-переходе излучения существенно ограничен следующими факторами: потерями на полное внутреннее отражение излучения, падающего на границу раздела под углом, большим критического; потерями на поглощение излучения в толще полупроводника и френелевским отражением излучения, выходящего под углом, меньшим критического.
Длительное время ведутся работы по нахождению способов увеличения доли выводимого излучения. Эти работы условно можно разделить на три направления: увеличение активной области светодиода, например, за счет создания слоя растекания тока [2]; развитие технологии прозрачной подложки [3, 4]; применение специальной геометрии светодиода [5, 6] или интегрирование структуры светодиода со случайными [7, 8] либо периодическими микроструктурами с известными оптическими свойствами. Например, изготовление брэггов-ского зеркала, представляющего собой одномерную периодическую систему с элементарной ячейкой в виде пары диэлектрических контрастных прозрачных или поглощающих слоев, увеличивает световую мощность светодиода [9]. Другой путь повышения яркости светоизлу-чающего диода (СИД) состоял в применении многослойных структур переменного состава [10], также позволяющих получать направленные
световые потоки и суженную диаграмму направленности излучения, или создание микрорезонатора в фотонной структуре, формируемой в активной области [11-14].
В работе [15] показано, что нанесение сетчатого контакта с параметрами решетки (период и ширина полосы) 150 и 25мкм и площадью светоизлучающей поверхности диода 500x500 мкм2 позволяет получить большую мощность излучения и обеспечивает равномерное распределение тока по площади излучающего слоя.
В настоящей работе исследованы свойства синего светодиода; на его излучающую поверхность в качестве p-контакта нанесена дифракционная решетка, параметры которой сравнимы с характерной длиной волны излучения СИД. Расстояние от активной области до границы раздела сред полупроводник-воздух составляет менее 200 нм, что значительно снижает потери в толще полупроводника по сравнению с теми СИД, в которых вывод света осуществляется через сапфировую подложку, где расстояние от активной области до поверхности более 200 мкм. В работе [16] приведены распределение плотности тока по излучающей поверхности для разных значений приложенного напряжения и зависимость коэффициента отражения от ширины щели дифракционной решетки и в соответствии с этими данными выбраны параметры решетки рассматриваемого контакта.
Цель настоящей работы — изучение влияния такого объекта, как дифракционная решетка на оптические и электрические характеристики СИД.
Технология изготовления образца и методика эксперимента.
Пластина со светодиодными структурами выращивалась методом химического осаждения из газовой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) с травлением мезаструктуры плазмой в режиме электронного циклотронного резонанса.
На сапфировой подложке толщиной 200 мкм последовательно размещаются буферный слой (GaN); п+-слой (GaN:Si); n-слой (GaN:Mg); п+-слой (сверхрешетка AlGaN/GaN); активная область с квантовыми ямами (InGaN/GaN); p-слой (AlGaN:Mg) и приконтактный p-слой (GaN:Mg). Сечение структуры приведено на рис. 1. Излучающая поверхность имеет симметричную форму подковы с внешним и внутренним диаметрами соответственно 50 и 30 мкм. Расстояние от активной области до границы раздела сред полупроводник-воздух составляет 198 нм, что значительно снижает потери на поглощение излучения внутри структуры.
Формирование Au/Ni двумерной сетки над излучающей поверхностью производилось методом электронно-лучевой литографии с использованием позитивного резиста. Параметры решетки выбраны на основе моделирования ее частотных спектров отражения [16, 17].
На изготовленной структуре с контактом-решеткой проведены измерения вольт-амперных (ВАХ) и вольт-фарадных характеристик (ВФХ), получены зависимость проводимости от напряжения, диаграммы направленности и спектры излучения. Измерения ВФХ производились прибором Е7-12 на частоте 1 МГц. Для проведения оптических измерений использовался спектрофотометр ИЯ2000+. Погрешность при измерении оптических характеристик составляла 5 %, а электрических — 3 %. С целью сравнения электрические характеристики получены для СИД аналогичной структуры с обычным круглым омическим контактом, но с выводом излучения через сапфировую подложку. Оптимизация контакта. На рис.2 приведена схема расчета дифракции генерируемого активной областью излучения на ленточной решетке (изображена верхняя часть структуры). Предполагается, что активная область представляет собой источник плоской монохроматической волны с волновым вектором к0, падающей под углом а на ленточную решетку из золота с периодом Л, шириной и толщиной
Рис. 1. Схематическое изображение структуры светодиода с р-контактом в виде дифракционной решетки. Стрелки — излучение активной области, падающее на решетку, и прошедшие спектральные порядки излучения, вышедшего из структуры (верхняя часть структуры см. рис. 2)
я И ш \
Рис. 2. Схематическое изображение верхней части структуры светодиода и расчетной схемы оптических свойств металлической (Аи) полосковой дифракционной решетки, лежащей на поверхности слоя Са^ толщиной 198 нм. Заштрихованные прямоугольники изображают сечение активной области в виде плоскости (1) или периодической системы полосковых источников (2)
лент 2£ и к и зазором между лентами <£. В слое ОаМ длина волны излучения 0,18 мкм, в свободном пространстве — 0,45 мкм при коэффициенте преломления ОаМ, равном 2,5. Прошедшие и отраженные спектральные порядки обозначены на рис.2 как к±.
Расчеты плотности тока в области р-п-перехода структуры показали существенно неоднородное распределение плотности тока по элементарной ячейке электрода-решетки по мере увеличения периода решетки и приложенного к ней напряжения. Результаты расчетов, проведенных для решетки с шириной направляющих 2£ = 0,1 мкм в приближении планарной конфигурации электродов (решетки и центрального контакта), приведены на рис.3. Как видно, отношение плотности тока в центральной части ячейки к току под направляющей решетки меньше единицы и плотность тока в центральной части уменьшается по мере увеличения периода решетки и приложенного напряжения, т.е. тока, протекающего по Аи-решетке. Поэтому, можно предположить, что область люминесценции представляет собой либо плоскость (область 1 при малых токах), либо периодическую систему ленточных источников (область 2, см. рис.2), находящихся под направляющими решетки-контакта. Отметим, что при более широких направляющих решетки-контакта (2£ > 0,1 мкм) аналогичное по пространственной неоднородности распределение токов появляется при периоде решетки, значительно большем 1 мкм. Столь разреженные решетки неинтересны с точки зрения рассеяния электромагнитных волн с длиной волны порядка долей микрона.
На рис. 3 приведены результаты расчета отношения плотности тока в области р-п-перехода, из которого видно, что максимальное различие плотностей тока в активной области структуры соответствует периоду решетки 1 мкм. Поэтому при расчете эффективности отражения света от решетки период ее принят равным Л = 1 мкм. Толщина решетки выбрана равной к = 0,1 мкм, что минимизирует поглощение энергии электромагнитной волны в металлах типа золота или серебра [18,19]. Варьируемые параметры — ширина лент 2£ и зазор между ними <£. На рис. 4 приведены зависимости эффективности отражения света обеих поляризаций от золотой решетки с шириной лент 2£ = 0,1 и 0,2 мкм как функция зазора <£. Диэлектрическая проницаемость золота на частоте, соответствующей длине волны 0,18 мкм, равна е = 0,23+3,04г [20]. Провалы в спектре отражения ТЕ-поляризованной волны исчезают при 2£ = 0,2 мкм (нижние сплошная и штриховая линии на рис. 4). Однако основной вклад в отраженную мощность дает ТН-поляризация, но, как видно на рис. 4, отражение падает при периоде решетки порядка 1 мкм. Из сопоставления результатов, приведенных на рис. 3 и 4, выбраны параметры решетки-
Рис. 3. Расчетные зависимости отношения плотностей тока в области р-п-перехода в центре квадратной ячейки сеточного контакта ОсеП(ег) и под направляющей решетки от
периода решетки при напряжении на контакте-решетке 1 (1), 1,5 (2) и 3В (5); ширина направляющих решетки 0,1 мкм
Рис. 4. Расчетные зависимости отражения по мощности ТЕ и ТН поляризованной нормально падающей плоской монохроматической волны (длина волны 0,18 мкм) от полосковой Аи решетки как функция зазора (в£) между направляющими решетки толщиной 0,1 мкм и шириной 0,1 (сплошные линии) и 0,2 мкм (штриховые линии)
электрода: толщина и ширина направляющих к = 2£ = 0,1 мкм, зазор д£ = 0,9 мкм, период Л = 1 мкм.
Электрические и оптические характеристики СИД с периодически структурированным контактом. На рис. 5 приведены ВАХ светодиодов со структурированным и обычным круглым омическим р-контактом. Как видно, наличие дифракционной решетки незначительно сказывается на ВАХ.
Измерения ВФХ показали, что удельная высокочастотная емкость СИД с контактом-решеткой (кривая 2 на рис. 6) остается постоянной от —5 В обратного смещения и до +2 В прямого смещения. Емкость же СИД с обычным контактом (кривая 1, рис. 6) имеет существенно немонотонный характер и значительно большую величину в подавляющей части указанного диапазона приложенных к структуре смещений.
Исследования проводимости структуры от напряжения в высокочастотной области (1 МГц) показали, что формирование р-контакта в виде решетки не влияет на проводимость диода. Действительно, согласно данным рис. 7, структура характеризуется участком с отрицательным значением дифференциальной проводимости. Уменьшение проводимости с ростом прикладываемого напряжения указывает на режим туннельного тока, что характерно для таких гетероструктур [21].
Рис. 5. Вольт-амперные характеристики СИД с обычным контактом (1) и выполненным в виде Au/Ni ортогональной решетки (2) с периодом 1 мкм, ширина и толщина направляющих 0,1 и 0,1 мкм соответственно
Рис. 6. Высокочастотные вольт-фа-радные характеристики СИД с обычным (1) и структурированным (2) контактами от напряжения
Рис. 7. Зависимость проводимости от напряжения (частота 1 МГц) для СИД со структурированным контактом
Рис. 8. Частотные спектры излучения СИД с контактом-решеткой, снятые в направлении нормали к излучающей поверхности (1) и по разные стороны от нормали под углами -14,4° (2) и +36° (3)
На рис. 8 приведены экспериментальные частотные спектры мощности излучения СИД с контактом-решеткой, снятые в направлении нормали к излучающей поверхности (кривая 1) и при отклонении детектора в разные стороны от нормали. Как видно, спектры не являются гладкими и покрыты мелкой "рябью". Причем "рябь" не вызывается решеткой, так как такой же вид имеют спектры аналогичных светоди-одов без решетки. Наиболее вероятная причина этого — то, что нижняя технологическая система слоев исследуемой структуры проявляет свойства плохого брэгговского рефлектора, а именно спектр излучения имеет не осциллирующий характер, как в упомянутой работе [9], а только лишь возмущенный "рябью" вид.
Экспериментальная диаграмма направленности излучения приведена на рис. 9 в зависимости от силы тока в направляющих решетки.
250
Рис. 9. Измеренные диаграммы направленности излучения в зависимости от токов, протекающих по направляющим контакта-решетки:
0,4 (1), 2 (2), 5 (3) и 10 мА (4)
Как видно, с ростом тока угловой спектр уширяется. Это обусловлено тем, что при увеличении силы тока происходит сосредоточение области излучения под решеткой. Большая часть генерируемого излучения дифрагирует на направляющих решетки, что приводит к энергетическому заполнению отличных от нулевого дифракционных порядков, т.е. угловому уширению излучения.
На основании экспериментальных результатов рассчитано значение КПД, которое составило 26,4 % при токе 0,4 мА, а максимальное значение КПД до нанесения дифракционной решетки — 18%.
Выводы. Предложен и реализован на практике СИД с верхним электродом в виде двумерной дифракционной решетки и изучены его электрические свойства. Из экспериментальных данных получена эффективность преобразования электрической мощности (при токе 0,4 мА) в мощность оптического излучения, которая составляет 26 %, что на 8 % превышает значение аналогичного параметра светодиода с обычным контактом. Кроме того, дифракционная решетка позволяет варьировать угловое распределение излучения простым изменением величины электрического смещения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. K i m T., L e i s h e г P. O., Danner A. J., W i r t h R., Streubel K., C h o q u e 11 e K. D. // IEEE Photonics Technology Letters, 18 (2006) 1876.
2. F l e t c h e г R. M., K u o C. P., O s e n t o w s k i T. D., Huang K. H., C г a f o г d M. G. // J. Electron. Mater. 20 (1991) 1125.
3. G e s s m a n n T h., S c h u b e г t E. F. // J. Appl. Phys. 95 (2004) 2203.
4. W i e r e r J. J., S t e i g e r w a l d D. A., K r a m e s M. R., O ' S h e a J. J. et. al. // Appl. Phys. Lett. 78 (2001) 3379.
5. C a г г W. N., P i 11 m a n G. E. // Appl. Phys. Lett., 3 (1963) 173.
6. Krames M. R., Ochiai Holcomb M., Hofler G. E., Carter-Co m a n C. et. al. // Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 2365.
7. ChoiH. W., DawsonM. D., Edwards P. R., Martin R. M.// Appl. Phys. Let. 83 (22), 4483 (2003).
8. B a y r a m Butun, Jean Cesario, Stefan Enoch, Romain Quidant, Ekmel Ozbay. Photonics and Nanostructures — Fundamentals and Applications 5, 86 (2007).
9. Schnitzer I., Yablonovitch E., Caneau C., Gmitter T. J., SchererA.// Appl. Phys. Lett., 63 (1993) 2174.
10. Seong-Suk Lee, In-Seok Seo, Kyong-Jun Kim, Cheul-Ro Lee// Journal of Korean Physical Society, 45 (5), 1356 (2004).
11. S hen Y. C., Wierer J. J., Krames M. R., Ludowise M. J., M i s r a M. S. // Appl. Phys. Lett., 82, 2221. (2003).
12. Kim T., D a n n e r A. J., C h o q u e 11 e K. D. // Electronics Letters 41 (20) 2005.
13. Oder T. N., K i m K. H., L i n J. Y., J i a n g H. X. // Appl. Phys. Let. 84 (4), 466 (2004).
14. Hiroyuki Ichikawa, Toshihiko Baba// Appl. Phys. Let. 84 (4), 457 (2004).
15. И мен ко в А. Н., Гребенщикова Е. А., Журтанов Б. Е., Д а н и л о в а Т. Н. и др. // ФТП 38 (11), 1399 (2004).
16. Shapoval S., Barabanenkov M., SirotkinV., PolushkinE., et. al. // WOCSDISE 2007. Venice, Italy. 2007/05/20 - 23. - P. 29-30.
17. Барабаненков Ю. Н., Барабаненков М. Ю. // ЖЭТФ. - T. 123 (2003) 763.
18. S h e n g P., S t e p l e m a n R. S., S a n d a P. N. // Phys. Rev. B 26 (1982) 2907.
19. Theye M. -L. // Phys. Rev. B 2 (1970) 3060.
20. J o h n s o n P. B., C h r i s t y R. W. // Phys. Rev. B 6 (1972) 4370.
21. Sanghyun Seo, Guang Yuan Zhao, Dimitris Pavlidis, Vladimir Litvinov // WOCSDISE 2007. Venice, Italy. 2007/05/20-23. -P. 61-63.
Статья поступила в редакцию 16.12.2008
Михаил Юрьевич Барабаненков родился в 1959 г., окончил в 1990 г. Московский инженерно-физический институт. Д-р физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник ИПТМ РАН Автор 103 научных работ в области радиационной физики и теории многократного рассеяния.
M.Yu. Barabanenkov (b. 1959) graduated from the Moscow Engineering and Physics Institute in 1990. D. Sc. (Phys.-Math.), leading researcher of the Institute for Problems of Microelectronics Technology and High-pure Materials of RAS. Author of 103 publications in the field of radiation physics and theory of multiple scattering.
Анатолий Викторович Ковальчук родился в 1961г., окончил в 1988 г. Московский физико-технический институт. Старший научный сотрудник ИПТМ РАН. Автор 42 научных работ в области физики плазмы и фотохимии.
A.V. Kovalchuk (b. 1961) graduated from the Moscow Physics and Technology Institute in 1988. Senior researcher of the Institute for Problems of Microelectronics Technology and High-pure Materials of RAS. Author of 42 publications in the field of plasma physics and photochemistry.
Евгений Анатольевич Полушкин родился в 1981г., окончил в 2005 г. Московский инженерно-физический институт. Младший научный сотрудник ИПТМ РАН. Автор трех научных работ в области плазмохимии.
Ye.A. Polushkin (b. 1981) graduated from the Moscow Engineering and Physics Institute in 1990. Junior researcher of the Institute for Problems of Microelectronics Technology and High-pure Materials of RAS. Author of 3 publications in the field of plasmochemistry.
Вадим Владимирович Сироткин родился в 1959 г., окончил в 1982 г. Московский институт электронной техники (МИЭТ). Канд. физ.-мат. наук, заведующий лабораторией "Прикладная математика" ИПТМ РАН. Автор 73 научных работ в области численных методов, уравнений математической физики, математического моделирования.
V.V. Sirotkin (b. 1959) graduated from the Moscow Institute for Electronic Technology in 1982. Ph. D. (Phys.-Math.), head of "Applied Mathematics" laboratory of the Institute for Problems of Microelectronics Technology and High-pure Materials of RAS. Author of 73 publications in the field of numerical methods, equations of mathematical physics, and mathematical simulation.
Юлия Владимировна Холопова родилась в 1986 г., окончила в 2008 г. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Старший лаборант ИПТМ РАН. Автор трех научных в области наноэлектроники.
Yu.V. Kholopova (b. 1986) graduated from the Bauman Moscow State Technical University in 2008. Senior laboratory assistant of the Institute for Problems of Microelectronics Technology and High-pure Materials of RAS. Author of 3 publications in the field of nanoelectronics.
Сергей Юрьевич Шаповал родился в 1949 г., окончил в 1975 г. Московский институт радиотехники, электроники и автоматики. Канд. техн. наук, заведующий лабораторией "Эпитаксиальные микро- и наноструктуры" ИПТМ РАН. Автор более 100 научных работ в области наноэлектроники, физики плазмы, эпитаксии.
S.Yu. Shapoval (b. 1949) graduated from the Moscow Institute for Radio-Engineering Electronics and Automatics in 1975. Ph. D. (Eng.), head of "Epitaxial Micro- and Nanostructures" laboratory of the Institute for Problems of Microelectronics Technology and High-pure Materials of RAS. Author of more than 100 publications in the field of nanoelectronics, plasma physics and epitaxy.
