УПРАВЛЕНИЕ ТОКОМ

October 15, 2011 by admin Комментировать »

Светодиодные структуры выращивают на проводящих либо на диэлектрических подложках. В структурах, выращенных на проводящих подложках, ток течет практически вертикально (т. е. перпендикулярно плоскости подложки). В светодиодах на диэлектрических подложках ток, как правило, направлен горизонтально (т. е. параллельно подложке). Поскольку металлические омические контакты непрозрачные, их размеры и расположение оказывают существенное влияние на вывод излучения из устройства. В этой главе будут обсуждаться способы управления током в различных структурах светодиодов с целью повышения их квантового выхода.

Слой растекания тока

В светодиоде с тонким верхним барьерным слоем ток инжектируется в ту часть активной области, которая расположена под верхним электродом. Следовательно, свет генерируется преимущественно в области под непрозрачным металлическим контактом, что ведет к низкой величине коэффициента оптического вывода такого светодиода. Эту проблему можно решить при помощи слоя растекания тока, уводящего ток в области, расположенные за пределами верхнего электрода.

Слой растекания тока и окно {оконный слой) синонимы. Термин «оконный» указывает на то, что данный слой прозрачный и что он предназначен для повышения коэффициента оптического вывода светодиода.

Полезные свойства таких слоев были обнаружены еще на ранних этапах развития светодиодов. Так, в работе (Nueseetal., 1969) было показано, что применение слоев растекания тока существенно повышает оптическую мощность светодиодов GaAsP. Окно является первым полупроводниковым слоем, расположенным между верхним барьерным слоем и верхним омическим контактом. На рис. 8.1 показано влияние слоя растекания тока. Из рис. 8.1, а видно, что в светодиоде без этого слоя свет излучается только по периметру верхнего контакта, а введение окна позволяет получить более ровную и яркую излучающую поверхность, показанную на рис. 8.1,6.

Рис. 8.1. Влияние слоя растекания тока на выходную мощность светодиодов: а — вид сверху на светодиод без окна, излучение наблюдается только по периметру верхнего контакта; б—вид сверху на светодиод с окном (Nueseetal.,

1969)

 

В работе (Nueseetal., 1969) рассмотрены слои растекания тока, состоящие из тройных твердых растворов GaAsPи бинарных соединений GaP, и определены требования к таким слоям. Окна должны обладать низким удельным сопротивлением, большой толщиной для усиления эффекта растекания тока и прозрачностью для снижения потерь на поглощение. Для уменьшения потерь на поглощение в этой работе предложено увеличить концентрацию фосфора в твердом растворе GaAsi_sP® (0,45 < а; < 1) в слое растекания тока, что выше его доли в активной области GaAsi_a;Px(х = 0,45). При таком соотношении концентраций фосфора слой растекания тока будет обладать большей шириной запрещенной зоны, чем активная область. Однако свойства слоев растекания тока были рассмотрены только качественно. Теоретические основы применения этих слоев в устройствах с линейной геометрией контактов, которые будут обсуждаться в следующем разделе, даны в работе Томпсона (Thompson, 1980). Слои растекания тока используются в структурах большинства светодиодов с расположением р-п-перехода (областью излучения) в верхней части кристалла — светодиоды AlGaAs (Nishizawaetal., 1983; Моуег, 1988), GaP (Grovesetal., 1977, 1978a, 1978b) и AlInGaP (Kuoetal., 1990;Sugawaraetal., 1991, 1992a, 1992b).

Рис. 8.2 схематично иллюстрирует влияние слоя растекания тока. Без этого слоя (рис. 8.2, а) область инжекции носителей тока в активную область практически ограничена размерами контакта. При добавлении слоя растекания область инжекции заметно увеличивается (рис. 8.2,6).

Слои растекания тока применяются преимущественно в структурах светодиодов с областью излучения, расположенной сверху. На рис. 8.2, в и г показаны структуры двух светодиодов AlInGaPвидимого спектра излучения, выращенные на подложках GaAs. Об использовании GaP-слоев растекания тока сообщалось в работах Куо и др. (Kuoetal., 1990) и Флетчера и др. (Fletcheretal., 1991а, 1991b). Ширина запрещенной зоны GaP, ЕдОаР = 2,26 эВ, поэтому слой

Рис. 8.2. Влияние слоя растекания тока в светодиодахAlInGaPна величину коэффициента оптического вывода: а —светодиод без слоя; б —добавление в светодиод окна («оконного слоя»); в —структура светодиодаGaPсо слоем растекания тока (Fletcheretal., 1991а, 1991b); г —структура светодиодаAlGaAsсо слоем растекания тока(Sugawaraetal., 1992а, 1992b)

 

прозрачен для излучения красной, оранжевой, желтой и зеленой областей видимого спектра. Были изготовлены светодиоды с длинами волн излучений вплоть до 550 нм. Бинарный полупроводник GaPпрозрачен для фотонов с энергией меньше ширины запрещенной зоны. В спектрах поглощения GaPслабо выражен «хвост Урбаха» в области Ыо <Eg. Кроме того, GaPотносится к классу непрямозонных полупроводников, коэффициент поглощения которых меньше, чем прямозонных. Поэтому свет мало поглощается даже в толстом слое растекания тока.

Однако между параметрами решеток GaPи нижележащих эпитак- сиальных слоев существует довольно большое несоответствие. Постоянные решеток нижнего и верхнего барьерных слоев, а также активной области согласованы с постоянной решетки GaAsподложки. Поскольку постоянная решетки GaPменьше постоянной GaAsприблизительно на 3,6%, существует большая вероятность возникновения проникающих дислокаций и дефектов несоответствия на границе GaP— верхний барьерный слой. Можно предположить, что дислокации, играющие роль центров безызлучательной рекомбинации, не будут приводить к ослаблению внутреннего квантового выхода излучения светодиодов, поскольку они расположены либо в слое растекания тока, либо на его границе с барьерным слоем, т.е. вдали от активной области. Однако если в ходе работы устройства эти дислокации прорастут вниз, ближе к активной области, квантовый выход и надежность светодиодов могут

ухудшиться. Правда, опыт показал, что эти явления довольно редки: светодиоды AlInGaP/GaAsобладают отличной надежностью и высоким квантовым выходом излучения.

Альтернативный подход к повышению коэффициента оптического вывода светодиодов AlInGaP/GaAsпри помощи слоев растекания тока AlGaAsпредложен в работах Сугавары и др. (Sugawara et al., 1991, 1992а, 1992b). При всех х в диапазоне О ^ х ^ 1 параметры решетки твердых растворов AlxGai_j;Asсогласованы с постоянной решетки GaAs. Ширина запрещенной зоны AlAsE^aiAs= 2,9 эВ. При х > 0,45 AlxGai-xAsстановится непрямозонным полупроводником. Коэффициент поглощения непрямозонных полупроводников намного меньше, чем прямозонных. Поскольку постоянные решеток окна AlGaAsи нижележащего барьерного слоя согласованы, дислокации несоответствия в слое AlGaAs, в отличие слоя растекания GaP, не возникают. Однако в слое растекания тока AlGaAsпроисходит более сильное поглощение света, чем в слое GaP. Это связано с тем, что AlGaAsявляется тройным твердым раствором, которому присущи заметные флуктуации концентрации катионов (алюминия и галлия), ведущие к локальным изменениям ширины запрещенной зоны. Это повышает вероятность поглощения фотонов, имеющих энергию меньше ширины запрещенной зоны AlGaAs. Следовательно, показатель хвоста Урбаха у AlGaAsсущественно выше, чем у GaP.

Хорошо известно, что методом эпитаксии металлоорганических соединений из газовой фазы, являющимся основной технологией создания кристаллов светодиодов, очень трудно вырастить структуры, содержащие алюминий. Это связано с тем, что алюминий обладает повышенной способностью к вступлению в химические реакции и нелегко обеспечить полное отсутствие загрязнения или дефектов на поверхности подложки при выращивании А1-содержащих слоев. Даже самые незначительные протечки в технологическом оборудовании могут привести к разрушению А1-содержащих пленок. Поэтому на практике используют не чистый алюминий, а компоненты с большим его содержанием, например AlAs. Это ведет к ухудшению характеристик слоя растекания тока AlGaAsи их приближению к параметрам слоя GaP. Также следует отметить, что электрические свойства AlAsи AlGaAsс высоким содержанием алюминия несколько хуже, чем у GaP. Однако несмотря на все это, светодиоды AllnGaPслоями растекания тока AlGaAsвыпускают серийно, и это направление продолжает развиваться.

На рис. 8.3 показано влияние слоя растекания тока GaPр-типа толщиной 2-15 мкм с удельным сопротивлением 0,05 Ом-см на величину коэффициента оптического вывода AllnGaPсветодиода (Fletcheretal., 1991а). Приведены данные съемки в микроскопе со встроенной видеокамерой. Для получения показанного профиля интенсивности излучения применялось сквозное сканирование кристалла светодиода в одном направлении, включая центральную часть контактной пла-

Рис. 8.3. Профили интенсивности излучения для трех кристаллов AlInGaPсветодиодов с толщиной окна 2 мкм, 5 мкм и 15 мкм (указаны на рисунке), демонстрирующие влияние толщины этого слоя на величину области растекания тока. Траектория сканирования показана пунктирной линией на вставке рисунка. Провал в середине профиля соответствует непрозрачной пластине омического контакта. Для получения профилей применялся микроскоп со встроенной видеокамерой (Fletcheretal., 1991а)

 

стины. Исходя из того, что в любой заданной точке интенсивность излучения прямо пропорциональна плотности тока, удалось определить характеристики распределения тока по слою окна. При толщине окна до 2 мкм наблюдается незначительное растекание тока. Когда толщина этого слоя становится равной 15 мкм, область растекания тока почти достигает краев кристалла. Еще большее увеличение толщины ведет к росту плотности тока по краям кристалла. Однако этого следует избегать из-за одновременного роста влияния поверхностной рекомбинации.

На рис. 8.4 представлено влияние эффекта растекания тока на внешний квантовый выход светодиодов AlInGaP/GaAsс окном из GaP. При достаточно толстых слоях растекания тока коэффициент оптического вывода светодиодов увеличивается приблизительно в 8 раз. При сравнении данных измерений при постоянном токе и в импульсном режиме видно некоторое падение квантового выхода излучения светодиодов при больших токах, что связано с их нагревом.

В работах Сугавары и др. (Sugawaraetal., 1991, 1992а, 1992b) проводился поиск оптимальной толщины слоев растекания тока Alo,7oGao,3oAs, используемых в светодиодах AlInGaP/GaAs. Концентрация легирующих примесей р-типа в AlojoGao.soAsслое

Рис. 8.4. Зависимости внешнего квантового выхода излучения (числа фотонов на один электрон) и световой отдачи (лм/Вт) светодиодов AlInGaP/GaAsс окном из GaPтолщиной 2 мкм, 5 мкм и 15 мкм от прямого тока. Сплошные линии соответствуют режиму постоянного тока, штриховая линия — импульсному режиму (импульсы длительностью 400 не со скважностью 300). В режиме постоянного тока наблюдается больший нагрев светодиодов (Fletcheretal., 1991а).

 

растекания была равна 3 ■ 10’® На рис. 8.5 показана зависимость квантового выхода диода от толщины слоя растекания. Видно, что оптимальная толщина окна лежит в диапазоне 5-30 мкм. Для слоев толщиной 15 мкм эффективность светодиодов возрастает в 30 раз по сравнению со светодиодами без слоев растекания тока. Было также показано, что оптимальная концентрация легирующих примесей в слое растекания тока р-типа должна быть меньше 10’®см~®.

Применение очень тонких слоев растекания тока (или их отсутствие) приводит к тому, что большая часть света генерируется в области, расположенной под непрозрачной металлической пластиной контакта, которая мешает выводу излучения за пределы кристалла светодиода. Применение очень толстых окон также имеет свои недостатки. Во-первых, при использовании толстых слоев растекания тока на краях кристаллов светодиодов образуются области повышенной плотности тока, усиливающие поверхностную рекомбинацию и уменьшающие квантовый выход светодиодов. Во-вторых, с ростом толщины слоя растекания усиливается поглощение в этой области фотонов, обладающих энергией меньше ширины запрещенной зоны. В-третьих, окно большой толщины увеличивает омическое сопротивление диода, что также снижает его эффективность. В-четвертых, большая длительность процесса выращивания толстых слоев растекания тока может привести к диффузии легирующих примесей из барьерного слоя

Рис. 8.5. Зависимость квантового выхода светодиодов AlInGaP/GaAsкрасного свечения, излучающих свет с длиной волны 565 нм, от толщины слоев растекания тока Alo,7oGao,3oAs (Sugawaraetal., 1992a)

 

в активную область, что вызовет снижение внутреннего квантового выхода излучения.

Создание слоев растекания тока часто связано со значительными проблемами, особенно если материалы обладают низкой проводимостью. Например, из-за большого удельного сопротивления верхнего барьерного слоя р-типа растекание тока в верхнем слое р-типа в светодиоде InGaN/GaNбудет очень слабым. Подвижность дырок в нитт ридах III группы обычно равна 1-20 см^/В, а их концентрация — ~ 10"^             поэтому удельное сопротивление такого материала все

гда больше 1 Ом-см. В работе (Jeonetal., 2001) описан светодиод с туннельным переходом, расположенным над активной областью рядом с барьерным слоем р-типа. Слой п-типа сверху туннельного перехода обеспечивает поперечное распространение тока в области под верхним контактом. Таким образом, в состав светодиода с туннельным переходом входят два омических контакта п-типа и ни одного контакта р-типа.

Источник:

 Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — 2-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с. – ISBN 978-5-9221-0851-5.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты