CC BY
18
УДК 621.315.592, 621.382
Г.О. Корнышов, А.В. Сахаров, А.Е. Николаев
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ АЛЮМИНИЯ В БАРЬЕРНОМ СЛОЕ НА СВОЙСТВА СВЕТОДИОДОВ ЗЕЛЕНОГО ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ НИТРИДА ИНДИЯ-ГАЛЛИЯ-АЛЮМИНИЯ
G.O. Kornyshov ''2, A.V. Sakharov ', A.E. Nikolaev '
' Ioffe Physical-Technical Institute, 26 Politekhnicheskaya St., St. Petersburg, 194021, Russia.
2St. Petersburg Academic University, 8/3 Khlopina St., St Petersburg, 194021, Russia
INFLUENCE OF ALUMINUM CONTENT IN BLOCKING LAYER ON PROPERTIES OF GREEN InGaALN LEDS
Исследовано влияние барьерного для электронов слоя AlGaN на свойства светодиодов, излучающих свет на длинах волн 520 — 565 нм (зеленый диапазон), на основе InAlGaN. Обнаружено, что изменение содержания алюминия приводит как к изменению эффективности, так и к существенному изменению длины волны излучения исследованных светодиодов.
НИТРИДЫ III ГРУППЫ, СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ, ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ЭПИТАКСИЯ.
The influence of AlGaN blocking layer on properties of green InGaAlN LEDs has been studied. The variation in aluminum content was found to change both LEDs efficiency and emission maximum position.
III-NITRIDES, LIGHT-EMITTING DIODES, OPTICAL PROPERTIES, EPITAXY.
Интенсивное развитие технологии создания эффективных светодиодов позволило расширить диапазон их излучения как в инфракрасную, так и в ультрафиолетовую области [1]. В видимой же области до недавних пор свойства гетероструктур в желто-зеленом диапазоне длин волн были изучены мало, так как существующий уровень технологии не позволял создавать нитридные структуры необходимого качества для данного участка спектра. Развитие технологии эпитаксиального роста и получение новых данных о свойствах указанных диодов позволили существенно повысить их эффективность, и в настоящее время проводятся активные исследования свойств светодиодов желто-зеленой области спектра.
В данной работе исследовалось влияние барьерного для электронов слоя (БС), изготовленного на основе АЮаК, на свойства светодиодов, излучающих свет в диапазоне длин волн 520 — 565 нм.
Экспериментальная часть
Полупроводниковые структуры выращивались методом МОС-гидридной (МОС — металлоорганическое соединение) эпитаксии на сапфировых подложках ориентации (0001). В качестве несущих газов использовались азот, водород и их смеси, а в качестве элементных источников — три-метилгаллий (ТМГ), триэтилгаллий (ТЭГ), триметилиндий (ТМИ), триметилалюми-ний (ТМА), моносилан и биспентацикло-диенил магния.
а)
б)
АЮа1Ч(Мд) ваМф) р 6аЫ(Мд)
ЭЬ QW
1
Толщина слоя, нм
Толщина слоя
Рис. 1. Энергетические диаграммы исследуемых объектов: а — для зоны проводимости всего светодиода, б — для квантовой ямы (КЯ) светодиода, с учетом поля от барьерного слоя; БЬ, QW — сверхрешетка и КЯ, соответственно.
Степени легирования, см-3: 1 — 6-1018 (и), 2 — 2-1020 (р), 3 —1020 (р); стрелками показано туннелирование электронов через барьер
Светодиодная структура включала семь слоев: буферный ОаК : толщиной около 4 мкм; три периода пассивной сверхрешетки 1пОаК/ОаК, образованной конвертацией 1пОаК при прерываниях роста; низкотемпературный слой ОаК толщиной 20 нм; одну активную квантовую яму (КЯ) 1пОаК толщиной 3 нм; барьерный слой ОаК толщиной 5 нм; БС для электронов ЛЮаК : М§ толщиной 12 нм и контактный слой ОаК : М§ толщиной 180 нм. Детали эпитаксиального роста описаны в статье [2]. Схематичное изображение зоны проводимости представлено на рис. 1, а. Структуры различались только величиной потока ТМА (а значит, содержанием алюминия), использованного при их выращивании, а точнее — при росте БС ЛЮаК : М§. Поток варьировали от 0 до 50 стандартных см3/мин. Выращенные структуры изучались методами фотолюминесценции (ФЛ), электролюминесценции (ЭЛ) и рентгеновской дифракции.
Оптические свойства исследовались с помощью ФЛ-спектроскопии, причем для возбуждения ФЛ использовались два лазера, излучающих свет в непрерывном режиме: гелий-кадмиевый с мощностью излучения 20 мВт и рабочей длиной волны = 325 нм, а также полупроводниковый (Я,2 = 405 нм, 100 мВт).
Для регистрации ФЛ использовался монохроматор МДР-23 и фотоэлектронный умножитель ФЭУ-100. Для повышения чувствительности измерений и снижения шумов применялся синхронный детектор 8Я810-Б8Р.
Электролюминесцентные (ЭЛ) свойства выращенных структур исследовались в непрерывном режиме на неразделенных пластинах с выводом света через подложку. Спектры ЭЛ регистрировались на специальной установке, включающей моно-хроматор и фотоэлектронный умножитель. При измерении эффективности светодиодных структур интенсивность ЭЛ измерялась путем сравнения с калиброванным фотодиодом.
Рентгеновская дифрактометрия использовалась для оценки реальной концентрации алюминия в БС, поскольку встраивание ионов алюминия в кристаллическую решетку твердого раствора полупроводника отличалось нелинейной зависимостью от потока ТМА (т. е. уровень потока не мог служить показателем концентрации).
Экспериментальные результаты и их обсуждение
В исследуемых структурах в ходе их выращивания мы варьировали поток ТМА при росте барьерного слоя; это приводи-
Зависимость параметров фото- и электролюминесценции светодиодов от содержания алюминия в барьерном слое
Поток ТМА, см3/ мин Содержание А1, % Положение пика, нм Полуширина пика, нм
ФЛ ЭЛ ФЛ ЭЛ
= 325 нм 12 = 405 нм = 325 нм 12 = 405 нм
0 0,00 532,18 518,34 521,48 43,55 30,82 43,59
2,5 6,00 531,45 528,99 537,69 37,46 31,65 39,02
5,0 11,00 546.58 537,77 549,83 36,03 31,35 37,73
15 17,00 553,16 557,88 548,66 36,05 35,58 39,46
30 21,50 559,79 560,47 560,21 34,33 35,42 40,25
50 24,50 553,11 561,65 565,4 39,72 35,80 42,76
Примечания. 1. ФЛ, ЭЛ — фото- и электролюминесценция, ТМА — триметилалюминий (источник алюминия).
2. \ , Х2 — рабочие длины волн гелий-кадмиевого (20 мВт) и полупроводникового (100 мВт) лазеров, возбуждающих ФЛ.
3. Спектры ЭЛ получены при токе инжекционной накачки 50 мА.
4. Все спектры зарегистрированы при комнатной температуре.
ло к изменению в слое содержания алюминия, перестройке зонных структур, и, следовательно, их оптических свойств. Зависимость содержания алюминия от потока ТМА носит нелинейный характер, что связано с паразитными реакциями в газовой фазе [3]. Для выращенных структур были получены спектры электролюминесценции (ЭЛ) при силе тока в 50 мА, а также спектры фотолюминесценции при комнатной температуре.
10 15 20
Содержание А1, %
Полученные результаты представлены в таблице и далее на графиках.
На рис. 2, а приведены зависимости положения пиков ФЛ от процентного содержания алюминия в БС. Все они имеют линейный вид (показан пунктиром), и наклон аппроксимированной прямой составляет —6,6 мэВ / %. Таким построением можно определить, насколько искривляется квантовая яма под действием электрического поля, созданного блокирующим сло-
б)
38
о.
£
Э ><
С О
с
34
1 1 1
■ 3
1
■ ..............■ /
■ ..... /.
1 • ■ " ■
9...................
1 ■ ■- ■
10 15 20
Содержание А1, %
Рис. 2. Зависимости положения (а) и полуширины (б) пиков ФЛ (1, 2) и ЭЛ (3) от содержания алюминия в барьерном слое АЮаМ при возбуждении ФЛ на разных длинах волн: \ = 325 нм (1) и Х2 = 405 нм (2) (см. таблицу).
Температура комнатная
ем ЛЮаК. При изменении мольной доли алюминия в БС от 0 до 24,5 % энергия перехода в квантовой яме изменяется от 2,38 до 2,19 эВ (что соответствует значениям длины волны излучения от 521 до 565 нм).
Такое небольшое изменение объясняется тем, что при изгибе квантовой ямы зоны проводимости и валентная сближаются настолько, что может происходить тун-нелирование носителей заряда в запрещенную зону и их последующая рекомбинация (рис. 1, б). Поле создается ионами магния в БС. В отсутствие алюминия акцептор (М§2+) при комнатной температуре имеет небольшую энергию активации [4], и в итоге реальная концентрация примеси может падать в десятки раз. Помимо этого, ионы магния могут быть пассивированы ионами водорода (протонами), что также уменьшает величину р-легирования в барьере ямы. Акцепторы в барьерном слое необходимы для создания обедненной области заряда и, как следствие, потенциального барьера на границе активной области с барьерным слоем, а это необходимо для увеличения внутреннего квантового выхода. Атомы алюминия, помимо функции создания энергетического барьера, осуществляют также повышение энергии активации магния, что приводит к необходимой концентрации акцепторов (2> 1020 см-3).
Таким образом, изменяя концентрацию алюминия в БС, можно варьировать энергию излучения КЯ в пределах 200 мэВ благодаря полю, созданному БС. Если предположить, что расстояние между максимумами волновых функций электрона и дырки в квантовой яме составляет 2 нм, то можно оценить электрическое поле, создаваемое БС с содержанием алюминия 10 %: оно составит 330 кВ/см.
На рис. 2, б приведены зависимости полуширины пиков ФЛ от процентной доли алюминия в БС. Положение максимума ФЛ хорошо воспроизводится для обеих длин волн возбуждающего излучения (см. рис. 1, а), тогда как ширина спектра ЭЛ ближе к ширине спектров ФЛ, измеренных с применением гелий-кадмиевого лазера. При использовании полупроводникового лазера ширина спектра ФЛ су-
щественно меньше, что может быть связано с различными условиями поглощения света. Поскольку энергия излучения полупроводникового лазера меньше ширины запрещенной зоны ОаК (этот лазер излучает на большей длине волны), возбуждение происходит главным образом в КЯ и сверхрешетке, из которой электроны при комнатной температуре туннелируют в КЯ. При использовании гелий-кадмиевого лазера возбуждение носителей происходит преимущественно в барьерах (электроны впоследствии захватываются в КЯ), а это ближе к режиму электролюминесценции. Так нами трактуются результаты, представленные на рис. 2, б.
Однако спектры ФЛ, полученные с применением полупроводникового лазера, несут больше информации о процессах, происходящих в КЯ. По ним можно наблюдать, что при концентрации алюминия 15 % происходит перелом в поведении полученных зависимостей: полуширина увеличивается на 11 % (см. рис. 2, б), максимум полосы ФЛ практически перестает смещаться в длинноволновую область (см. рис. 2, а), а эффективность излучения падает (рис. 3). Все это говорит о том, что носители заряда начинают покидать квантовую яму и рекомбинировать вне активной области. Можно предположить, что поле от БС слишком сильно искривляет КЯ и электроны туннелируют через стенку квантовой ямы (см. рис. 1, б). Тот же самый процесс наблюдается и при исследовании фотолюминесценции другими способами. Но на графике рис. 2, б отчетливо видно, что в отсутствие барьерного слоя электроны также покидают активную область, что говорит о его эффективности.
Влияние слоя, блокирующего электроны (БС), на свойства светодиодов исследовалось как теоретически [5], так и экспериментально [5, 6]. Расчеты показывают, что для светодиодов сине-фиолетового диапазона [5] наличие БС приводит к увеличению эффективности светодиодной структуры. Это объясняется уменьшением тока утечки инжектированных носителей, которая происходит из-за большого количества горячих электронов при повышении напряжения на
светодиоде. БС создает дополнительный барьер, не позволяющий носителям покидать активную область. Это было экспериментально показано для светодиодов, излучающих на длине волны 410 нм [6].
В то же время исследования, проведенные для светодиодов зеленого диапазона [6], также говорят об эффективности БС. Он понижает энергию активации магния, что приводит к увеличению концентрации дырок между квантовой ямой и барьерным слоем. Такой эффект приводит к уменьшению тока утечки инжектированных носителей, увеличению излучательной рекомбинации; это было показано теоретически для структур на неполярном ОаК [5].
В нашем случае наблюдается максимум эффективности при промежуточных составах ЛЮаК БС (поток ТМА - 20 см3/мин, содержание алюминия — 18 %); при увеличении же мольной доли алюминия наблюдается снижение эффективности (см. рис. 3). Последняя также падает с увеличением тока инжекции. Аналогичное поведение эффективности наблюдалось при исследованиях, опубликованных в работе [6], и связано с тем, что высоты БС оказывается недостаточно, чтобы задержать инжектированные носители в активной области.
Таким образом, в результате проведенных исследований показано, что уровень содержания алюминия в барьерном слое светодиодов зеленого диапазона может оказывать существенное влияние на эффективность и длину волны излучения при номинально идентичной активной области.
0 11 17
Содержание AI, %
0)
о 2
и СО
1 ! 1 1 ■ I ' 1 1
'' ■ о ""--J 1 • 1
■i i . с. ■ i
10 20 30
Поток ТМА, см3/мин
40
50
Рис. 3. Зависимость эффективности излучения светодиода от потока ТМА при росте барьерного слоя ЛЮаМ для двух значений тока накачки, мА: 10 (1) и 140 (2)
При этом энергия перехода, ответственного за люминесценцию, линейно зависит от концентрации алюминия в барьерном слое, и ею можно управлять в интервале энергий вплоть до 200 мэВ и менять при этом длину волны излучения. Максимум эффективности излучения исследованных светодиодов зеленого диапазона наблюдается при содержании алюминия в барьерном слое от 15 до 20 %.
Работа проведена при поддержке Государственного контракта с Министерством образования и науки РФ № 12.527.12.3018 от 4 июня 2012г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича; 2-е изд. М.: Физматлит, 2008. 496 с.
2. Lundin W.V., Nikolaev A.E., Sakharov A.V., Zavarin E.E., Valkovskiy G.A., Yagovkina M.A., Usov S.O., Kryzhanovskaya N.V., Sizov V.S, Brunkov P.N., Zakgeim A.L., Cherniakov A.E., Cherkashin N.A., Hytch M.J., Yakovlev E.V., Bazarevskiy D.S., Rozhavskaya M.M., Tsatsulnikov A.F. Single quantum well deep-green LEDs with buried InGaN/ GaN short-period superlattice // Journal of Crystal Growth. 2011. Vol. 315. No. 1. P. 267-271.
3. Lundin W.V., Nikolaev A.E., Rozhavskaya M.M., Zavarin E.E., Sakharov A.V., Troshkov S.I.,
Yagovkina M.A., Tsatsulnikov A.F. Fast AlGaN growth in a whole composition range in planetary reactor// Journal of Crystal Growth. 2013. Vol. 370. P. 7-11.
4. Tanaka T., Watanabe A., Amano H., Kobayashi Y., Akasaki I., Yamazaki S., Koike M. ^-type conduction in Mg-doped GaN and Al008Ga092N grown by metal-organic vapor phase epitaxy // Appl. Phys. Lett. 1994. Vol. 65. P. 593 - 594.
5. Ni X., Li X., Lee J., Liu S., Avrutin V., U,zgbr b., Morko3 H., Matulionis A. Hot electron effects on efficiency degradation in InGaN light emitting diodes anddesigns to mitigate them // Journ. Appl. Phys. 2010. Vol. 108(03). P. 033112-1-033112-3.
6. Sang-Heon Han, Dong-Yul Lee, Sang-Jun
Lee, Chu-Young Cho, Min-Ki Kwon, S. P. Lee, D. Y. Noh, Dong-Joon Kim, Yong Chun Kim, Seong-Ju Park. Effect of electron blocking layer on efficiency
droop in InGaN/GaN multiplequantum well light-emitting diodes // Appl. Phys. Lett. 2009. Vol. 94. P. 231123-1-231123-3.
REFERENCES
1. Shubert F. Svetodiody. Per. s angl. pod red. A.E. Yunovicha; 2-ye izd. M.: Fizmatlit, 2008. 496 s.
2. Lundin W.V., Nikolaev A.E., Sakharov A.V., Zavarin E.E., Valkovskiy G.A., Yagovkina M.A., Usov S.O., Kryzhanovskaya N.V., Sizov V.S, Brunkov P.N., Zakgeim A.L., Cherniakov A.E., Cherkashin N.A., Hytch M.J., Yakovlev E.V., Bazarevskiy D.S., Rozhavskaya M.M., Tsatsulnikov A.F. Single quantum well deep-green LEDs with buried InGaN/ GaN short-period superlattice // Journal of Crystal Growth. 2011. Vol. 315. No. 1. P. 267-271.
3. Lundin W.V., Nikolaev A.E., Rozhavskaya M.M., Zavarin E.E., Sakharov A.V., Troshkov S.I., Yagovkina M.A., Tsatsulnikov A.F. Fast AlGaN growth in a whole composition range in planetary reactor// Journal of Crystal Growth. 2013. Vol. 370. P. 7-11.
4. Tanaka T., Watanabe A., Amano H., Kobayashi Y., Akasaki I., Yamazaki S., Koike M. p-type conduction in Mg-doped GaN and Al0.08Ga0.92N grown by metal-organic vapor phase epitaxy // Appl. Phys. Lett. 1994, Vol. 65, pp. 593-594.
5. Ni X., Li X., Lee J., Liu S., Avrutin V., U,zgbr b., Morko3 H., Matulionis A. Hot electron effects on efficiency degradation in InGaN light emitting diodes anddesigns to mitigate them // Journ. Appl. Phys. 2010, Vol. 108(03), pp. 033112-1-033112-3.
6. Sang-Heon Han, Dong-Yul Lee, Sang-Jun Lee, Chu-Young Cho, Min-Ki Kwon, S. P. Lee, D. Y. Noh, Dong-Joon Kim, Yong Chun Kim, Seong-Ju Park. Effect of electron blocking layer on efficiency droop in InGaN/GaN multiple quantum well light-emitting diodes // Appl. Phys. Lett. 2009, Vol. 94, pp. 231123-1-231123.
КОРНЫШОВ Григорий Олегович — студент Санкт-Петербургского академического университета.
194021, г. Санкт-Петербург, ул. Хлопина, 8, корп. 3
supergrigoir@gmai1.com
САХАРОВ Алексей Валентинович — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН.
194021, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26 va1.beam@mai1.ioffe.ru
НИКОЛАЕВ Андрей Евгеньевич — научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН.
194021, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26
Aen@mai1.ioffe.ru
© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2013
