литобзор 2

Ультрафиолетовые светодиоды на основе нитридов галлия алюминия имеют множество применений как в гражданской, так и в военных целях. Среди них можно выделить эффективные источники накачки для светодиодов белого излучения, стерилизацию помещений и поверхностей, оптическую запись информации с высокой плотностью, фотополимеризацию и оптическую связь. Огромное внимание уделяется возможности замены ртутных и дейтериевых ламп на ультрафиолетовые светодиоды. Хрупкость, опасность и сложность утилизации ламп делает их неконкурентоспособными в сравнении с эффективными светодиодами.

Внешний квантовый выход люминесцентных структур на основе нитридов галлия алюминия достигает 10-12%. Основные проблемы, возникающие при разработке – несовершенство технологического процесса, трудность оптимизации структуры, дефекты и дислокации.

Активные области светодиодов, излучающих в УФ диапазоне для длин волн больше 360 нм, обычно создают на основе GaN и InGaN. На рисунке 1 представлена структура светодиода, излучающего на длине волны 370 нм. Активная область представляет собой гетероструктуру InGaN/AlGaN и барьерные слои AlGaN, ограничивающие электроны и дырки. Вокруг расположены n- и p-типа слои нитрида галлия.

Рис. 1 Послойная структура ультрафиолетового светодиода на длину волны 370 нм

Активные области приборов, излучающих с длиной волны меньшей 360 нм, обычно формируются из AlGaN или в виде множества квантовых ям (КЯ). Такие светодиоды, как правило, обладают очень низким внешним квантовым выходом. При рассмотрении светодиодов на основе AlGaN необходимо обратить внимание на следующее:

1. Алюминий обладает свойством притягивать кислород, поэтому с ростом концентрации алюминия, увеличивается концентрация кислорода, который формирует глубокие примесные уровни.

2. Проводимость AlGaN снижается с ростом молярной доли алюминия, особенно это заметно при концентрации алюминия больше 30%. Это ведет к повышению сопротивления барьерных слоев и последовательного сопротивления светодиодов. Для облегчения легирования применяются сверхрешетки.

3. В светодиодах, выращенных на диэлектрических подложках со стандартной конфигурацией контактов по бокам структуры, за проводимость в поперечном направлении отвечает n-тип AlGaN. Поскольку с ростом концентрации алюминия повышается удельное сопротивление такого слоя, легированного кремнием, увеличивается и последовательное сопротивление светодиода. Для компенсации такого эффекта необходимо уменьшать среднее расстояние, которое электронный ток проходит вдоль слоя AlGaN. Этого можно добиться, используя матрицу светодиодов, либо при помощи контактов гребенчатого типа.

4. Поскольку AlGaN обладает большой шириной запрещенной зоны, а контакты и барьерные слои являются еще более широкозонными материалами, при больших концентрациях алюминия трудно обеспечить низкое сопротивление контактов.

5. В процессе эпитаксиального роста верхнего барьерного, слоя примеси типа магния могут диффундировать обратно в активную область, что приведет к снижению квантового выхода

6. Из-за большой ширины запрещенной зоны в светодиодах на AlGaN наблюдаются разрывы зон на гетерограницах. Необходимо плавно изменять химический состав вблизи гетерограниц.

7. Для снижения перепоглощения во всех слоях необходимо поддерживать высокую концентрацию алюминия, что определяет их прозрачность для излучения.

8. Пленки AlGaN, выращенные на подложках GaN, находящихся в ненапряженном состоянии, из-за меньшего периода решетки будут испытывать напряжение растяжения. При достаточно большой толщине пленки могут разорваться. Однако при использовании для компенсации напряжений слоев со сверхрешетками с большей концентрацией алюминия, вероятность разрывов можно снизить или даже предотвратить. Такие слои называются компенсационными.

По вышеперечисленным причинам ультрафиолетовые светодиоды на основе AlGaN обладают низким внешним квантовым выходом. Увеличить эффективность светодиода можно многими способами.

При изготовлении структур на основе AlGaN предъявляются очень высокие требования к качеству материалов и технологическим процессам. Подобные структуры очень чувствительны к наличию дефектов. Например, продольные дефекты и дислокации, образованные в подложке прорастают через всю структуру вне зависимости от толщины и качества исполнения буферного слоя.

В работе «Улучшение эффективности ультрафиолетового излучения для множественных квантовых ям AlGaN/GaN при увеличении толщины квантовой ямы» показано, что с увеличением толщины от 1.6 до 7.3 нм эффективность троекратно возрастает.

С увеличением толщины квантовой ямы основной вклад в оптические характеристики структуры начинают давать пересечения дефектов и квантовых ям, поскольку плотность носителей заряда на этих участках становится выше. Вдобавок улучшение эффективности вместе с уширением ямы связано с увеличением степени локализации зарядов.

В работе было исследовано пять образцов, выращенных методом металл-органического осаждения из пара на сапфировой подложке и содержащих десятипериодные квантовые ямы Al_0.17GaN_0.83/GaN. Все образцы выращены в одинаковых условиях и имеют схожие структуры за исключением толщины квантовых ям (1.6, 2.4, 3.4, 5.2 и 7.3 нм соответственно). Изготовленную структуру и реальное распределение дефектов можно увидеть на фотографии, полученное с помощью электронного микроскопа (рисунок 2).

Рис. 2 Светло- (а) и темно- (b) контрастрные изображения образца с квантовыми ямами Al_0.17GaN_0.83/GaN толщиной 3.6 нм, полученные в направлении 1100 GaN. Поперечное сечение квантовых ям и продольных дефектов наблюдается на изображении (c)

Таблица 1

Световая эффективность структур, содержащих множественные КЯ Al_0.17GaN_0.83/GaN, в зависимости от толщины КЯ

Толщина КЯ, нм	Световая эффективность, %
1,6	2,2
2,4	3,3
3,4	3,6
5,2	4,6
7,3	6,5

Как оказалось лучшей эффективности можно добиться, уменьшая количество дефектов, добавляя в состав переходного слоя светодиода кремний

Высокая эффективность InGaN/AlGaN ультрафиолетовых светодиодов на 375 нм была продемонстрирована на образцах, в которых переходный слой GaN был сильно залегирован кремнием. Изображение, полученное с помощью электронного микроскопа, показало, что плотность дефектов и дислокаций сильно уменьшается благодаря наличию слоя, легированного кремнием. В работе «Изучение ультрафиолетового светодиода InGaN/AlGaN на 375 нм с переходным слоем GaN, легированным кремнием, внутренний квантовый выход, эффективность прибора» было исследовано два образца: один легированный кремнием, второй нет; G-LED и C-LED соответственно. В итоге G-LED показал лучший результаты по квантовому выходу не только из-за того, что уменьшилось количество безызлучательных рекомбинаций на глубоких примесных центрах, но и частично из-за того, что легирование частично смягчило тенденцию падения эффективности.

Для синих и зеленых светодиодов характерна высокая концентрация индия, и высокая эффективность данных светодиодов объясняется локализованными состояниями, берущими начало на флуктуациях массовой доли индия в квантовых ямах InGaN/GaN. Однако концентрация индия в ультрафиолетовых светодиодах мала, поэтому образование локализованных состояний затруднено. Кроме того низкое содержания индия приводит к разделенности квантовых ям, тем самым еще уменьшая эффект локализации. Кроме этих причин на низкий квантовых выход ультрафиолетовых структур влияет высокая плотность дислокаций, прорастающих из сапфировой подложки. Дислокации играют роль центров безызлучательной рекомбинации, уменьшая общую эффективность прибора.

Существует несколько технологических методов, чтобы уменьшить плотность возникающих в структуре дислокаций. Среди них можно выделить: выращивание толстых эпитаксиальных переходных слоев и создание подложки определенной формы по шаблону. Однако первая методика требует двухступенчатого металл-органического осаждения, что в итоге уменьшает выход годной продукции; качество кристалла во втором методе напрямую зависит формы шаблона, его размера, юстировки, т.е. параметров, которые сложно контролируются. Выходом из ситуации является метод in situ.

In situ позволяет достичь низкой плотности дислокаций, а следовательно и хорошей излучательной способности светодиода.

Также сильное легирование кремнием слоя n-GaN помогает избавиться от остаточных механических напряжений, вызванных поперечными дислокациями.

Структура ультрафиолетового светодиода схематически представлена на рисунке 3. Справа представлено полученное с помощью электронного микроскопа изображение легированного кремнием слоя.

Рис. 3 Структура УФ-светодиода. На вставке изображение слоя GaN, легированного кремнием.

Внутренний квантовый выход (ВКВ) структуры при фотолюминесценции и низких температурах равен 100%. ВКВ как функция от концентрации инжектированных зарядов при 20К и комнатной температуре для C-LED и G-LED представлен на рисунке 4. ВКВ определяется как количество излученных фотонов, поделенное на количество инжектированных. Максимум эффективности достигнут при 20К. Для обоих светодиодов кривые при 20К почти одинаковы. При комнатной температуре G-LED достигает эффективности 40.6%, при дальнейшем увеличении концентрации инжектированных носителей эффективность светодиода падает.

Рис.4 Внутренний квантовый выход ультрафиолетовых светодиоводов: G-LED и C-LED( легированный кремнием и нелегированный соответственно) при 20К и комнатной температурах как функция от концентрации инжектированных зарядов.

На рисунке 5 изображен спектр фотолюминесценции для исследованных диодов.

Рис. 5 Спектр фотолюминесценции для G-LED для трех различных концентраций инжектированных носителей заряда. Вставка – спектр фотолюминесценции при комнатной температуре

На рисунке 6 представлена световая мощность электролюминесценции как функция от инжектированного тока для обоих светодиодных образцов. Из рисунка очевидно, что световая мощность G-LED намного выше, чем у С-LED в пределах изменения тока от 0 до 1000 мА. При рабочем токе светодиодов в 350 мА зафиксированная световая мощность равно 286.7 мВт и 204.2 мВт для структуры легированной кремнием и нелегированной соответственно. Максимальная эффективность составляет 40.4%.

Рис. 6 Выходная оптическая мощность ультрафиолетовых светодиодов: G-LED и C-LED( легированный кремнием и нелегированный соответственно) как функция от инжектированного тока. На вставке фотография G-LED при инжектированном токе 350 мА.

Еще одним способом повышения ВКВ является легирование кремнием квантовых ям AlGaN с высокой концентарцией алюминия. В работе «Зависимость внутреннего квантового выхода от концентрации кремния в квантовых ямах AlGaN с высоким содержанием алюминия» изучалось, какая концентрация кремния является оптимальной для достижения максимума эффективности.

Увеличение ВКВ для структур с квантовыми ямами на основе AlGaN – одна из главных задач, которые стоят перед созданием высокоэффективных ультрафиолетовых светодиодов. Улучшение технологий роста AlN и AlGaN позволили создать структуры со следующими квантовыми ямами:

• Al_0.35Ga_0.65N/Al_0.50Ga_0.50N (ВКВ равен 70%)

• Al_0.7Ga_0.3N/AlN (ВКВ равен 50%)

• Al_0.69Ga_0.31N/AlN (световая мощность 0,1 Вт)

Дальнейшее увеличение эффективности может быть получено при

оптимизации структуры квантовых ям, для чего требуется теоретическое описание работы структур на основе нитридов третьей группы.

Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN структуры были выращены методом металл-органического напыления. На сапфировой подложке первым выращивался буферный слой AlN толщиной 0,8 мкм, затем переходный слой AlGaN с высоким содержанием алюминия толщиной 0,2 мкм, и последним выращивался слой AlGaN, легированный кремнием, толщиной 0,4 мкм. Общая композиция люминесцентной структуры состоит из 75 КЯ Al_xGa_1-xN толщиной 15 нм, разделенным барьерными слоями Al_yGa_1-yN, толщиной в 7 нм. Чтобы исследовать эффект легирования кремнием на люминесцентные свойства структуры было создано четыре образца:

• QW-A–содержит нелегированные квантовые ямы Al_0.58Ga_0.42N/Al_0.70Ga_0.30N

• QW-B – легированы кремнием только барьерные слои

• QW-С – легированы кремнием только ямы

• QW-B – легированы как барьерные слои, так и ямы

Концентрация кремния в каждом слое составляет 3,8*10¹⁷

На рисунке 7 показано каких максимумов ВКВ можно достигнуть для легированных и нелегированных кремнием квантовых ям при температуре 300К.

Рис. 7 Максимальные значения ВКВ при 300К, полученные для структур с нелегированными квантовыми ямами Al_0.58Ga_0.42N/Al_0.70Ga_0.30N (QW-A), для структур, в которых легированы только барьерные слои (QW-В), для структур только с легированными кремнием квантовыми ямами ( QW-С) и для структур, где легированы кремнием как ямы, так и барьеры. (а) и (b) – показывают различия при возбуждающих излучения 193 и 243 нм.

Как видно, максимальная эффективность достигается, если легировать только квантовые ямы. На рисунке 8 показано, как изменяется эффективность в зависимости от концентрации легирующей примеси.

Рис.8 Максимальные значения ВКВ при 300К, измеренные для структур с легированными кремнием КЯ, как функция от концентрации кремния в КЯ. Закрашенный синий круг и полый красный квадрат показывают ВКВ для Al_0.60Ga_0.40N и Al_0.58Ga_0.42N соответственно. Пунктирная кривая добавлена для удобства восприятия.

Как уже говорилось, подложка, изготовленная по определенному шаблону, и создание избыточно больших эпитаксиальных слоев сапфира ведет к уменьшению дефектов и дислокаций. В работе «Ультрафиолетовые светодиоды на основе AlGaN, полученные методом поперечного эпитаксиального перероста AlN на Si(111)» рассматривается как совместить эти две эффективные методики и какие результаты могут быть достигнуты.

Главное преимущество использования кремниевой подложки – это возможность встраивать нитридные приборы в кремниевые интегральные схемы.

На рисунке 9 представлено изображение отпечатанной кремниевой подложки, изготовленной по полосковому шаблону. Также показано, как на такой подложке растет переходный слой AlN (т.к. GaN имеет слишком большую разницу в периодах решетки с кремнием)

Рис. 9 Изображения (а) подложки AlN/Si(111), изготовленной по полосковому шаблону, в изометрии; (b) поперечного сечения переходного слоя AlN, выращенного на подложке.

На рисунке 10 представлена вольт-амперная характеристика УФ светодиода с чипом размером 300 мкм * 300 мкм. Напряжение включения – 4 вольта. Последовательное сопротивление 25.3 Ома

Рис. 10 Вольт-амперная характеристика ультрафиолетового светодиода при комнатной температуре. На вставке схематично представлена структура исследуемого прибора.