Інжекційно-термічні та рекомбінаційні процеси в багатобарґєрних А3В5 - напівпровідникових випромінювачах інфрачервоного діапазону - Автореферат

Більш глибоке розуміння фізики процесів в цих матеріалах та приладових структурах на їх основі може привести до створення напівпровідникових сполук з наперед заданими оптичними, фотоелектричними, кінетичними й електричними властивостями, і, як наслідок, ефективних приладів ІЧ діапазону. Що стосується інжекційно-термічних процесів у багатошарових оптоелектронних структурах з гомо-і гетеропереходами, то їх дослідження проводилося епізодично і, в основному, для стаціонарних режимів роботи, що явно недостатньо при роботі в імпульсних режимах, коли температура перегріву приладу стає функцією не тільки відстані від джерела тепла, але й параметрів імпульсного струму. Електрофізичні дослідження кінетики та механізмів інжекційно-термічної деградації основних функціональних параметрів ІЧ-випромінювачів в процесі тривалої роботи дозволяють розробити шляхи їх конструкторсько - технологічної оптимізації, прогнозувати працездатність і гарантійний строк експлуатації. Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі: - проаналізувати інжекційно-термічні процеси в приладових структурах та ІЧ-випромінювачах на основі вузькозонних сполук А3В5 і визначити їх основні теплові параметри (температуру перегріву активної області, тепловий опір); визначити вплив безвипромінювальних каналів рекомбінації на кінетичні й інтегральні характеристики та функціональні параметри ІЧ - випромінювачів на основі вузькозонних напівпровідників, а також визначити внесок оже - процесів у перегрів активної області таких випромінювачів;При електролюмінісцентному методі вимірювання температури перегріву активної області в якості теплочутливого параметру використовувалась довжина хвилі в максимумі смуги випромінювання lmax, тоді як при електрофізичному методі аналізувалось падіння напруги на р-n-переході під впливом струму, що викликає перегрів активної області джерела випромінювання. Четвертий розділ присвячено дослідженню інжекційно-термічних процесів в ІЧ - випромінювачах на основі напівпровідникових вузькозонних сполук GAINAS, INASSBP, GAINASSB різного молярного складу, а також зясуванню механізмів релаксації надлишкової теплової енергії, що збільшується при зростанні електричного струму. Паралельний аналіз залежностей DT = f (I) і Р = f (I, Т) показав, що струмовий перегрів АО випромінювачів при зростанні густини інжекційного струму j викликає значне зниження вихідної потужності Р випромінювання. Виявлено, що в діапазоні густини струмів 2-30 А/см 2 відношення Рвід = Р/Р0 (Р0 - потужність випромінювання при I = 20 МА) для випромінювачів на основі GAINAS/INAS змінювалось майже вдвічі сильніше, ніж у випромінювачах на основі INASSBP/INAS. Вплив на теплові процеси величини потенціальних барєрів на гетерограницях встановлено за результатами аналізу залежностей DT = f (I) і Р = f (I) для ІЧ-випромінювачів на основі одиночних гетероструктур (ГС) типу N-GASB / n-GAINASSB / R-GAALASSB і подвійних ГС типу N-GASB / N-GAALASSB / n-GAINASSB / R-GAALASSB з активною n - Ga0.79In0.21As0.19Sb0.81 областю.На основі проведеного феноменологічного розрахунку температур струмового перегріву напівпровідникових випромінювачів при імпульсних режимах живлення встановлено взаємозвязок характеристичних температур перегріву випромінювачів при імпульсному живленні з параметрами струму (тривалість та шпаруватість імпульсів струму) і внутрішніми фізичними параметрами випромінювачів, що необхідно враховувати при виборі робочих режимів напівпровідникових ІЧ-випромінювачів. Виявлено наявність істотного струмового перегріву активної області ІЧ-випромінювачів на основі вузькозонних напівпровідникових сполук GAINAS, INASSBP, GAINASSB і встановлено звязок температури перегріву активної області з погіршенням експлуатаційних характеристик ІЧ-випромінювачів. Проаналізовано механізми релаксації надлишкової теплової енергії гарячих електронів в ІЧ-випромінювачах та виявлено, що основними з них є електрон-електронна або електрон-фононна взаємодії. Показано, що в випромінювачах на основі n - GAINASSB при I <30 МА (j <10 А/см2) перегрів активної області здійснюється за рахунок розігріву електронного газу гарячими електронами внаслідок швидкої електрон-електронної взаємодії, а при підвищенні струму гарячі електрони взаємодіють із усією фононною системою напівпровідника, що веде до нагрівання кристалічної ґратки до Тг = f(I). Встановлено взаємозвязок теплових і рекомбінаційних процесів у напівпровідникових випромінювачах ІЧ - діапазону: зростання струмового перегріву АО веде до посилення ролі безвипромінювальних процесів ОР в рекомбінаційних процесах, що в свою чергу сприяє підвищенню температури перегріву АО.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. На основі проведеного феноменологічного розрахунку температур струмового перегріву напівпровідникових випромінювачів при імпульсних режимах живлення встановлено взаємозвязок характеристичних температур перегріву випромінювачів при імпульсному живленні з параметрами струму (тривалість та шпаруватість імпульсів струму) і внутрішніми фізичними параметрами випромінювачів, що необхідно враховувати при виборі робочих режимів напівпровідникових ІЧ-випромінювачів.

2. Виявлено наявність істотного струмового перегріву активної області ІЧ-випромінювачів на основі вузькозонних напівпровідникових сполук GAINAS, INASSBP, GAINASSB і встановлено звязок температури перегріву активної області з погіршенням експлуатаційних характеристик ІЧ-випромінювачів.

3. Визначена залежність струмового перегріву активної області ІЧ-випромінювачів на основі GAXIN1-XAS від молярного складу напівпровідникової сполуки, яка обумовлена зміною як механізму розсіювання надлишкової теплової енергії, так і механізму рекомбінації в даних структурах. Встановлено, що мінімальну DT мають структури з х » 0,9. В сполуках з х 0,9 - внаслідок погіршення якості структури (неузгодженість постійних ґраток INAS і GAAS складає ~ 6.9 %).

4. Проаналізовано механізми релаксації надлишкової теплової енергії гарячих електронів в ІЧ-випромінювачах та виявлено, що основними з них є електрон-електронна або електрон-фононна взаємодії. Показано, що в випромінювачах на основі n - GAINASSB при I < 30 МА (j < 10 А/см2) перегрів активної області здійснюється за рахунок розігріву електронного газу гарячими електронами внаслідок швидкої електрон-електронної взаємодії, а при підвищенні струму гарячі електрони взаємодіють із усією фононною системою напівпровідника, що веде до нагрівання кристалічної ґратки до Тг = f(I).

5. Встановлено взаємозвязок теплових і рекомбінаційних процесів у напівпровідникових випромінювачах ІЧ - діапазону: зростання струмового перегріву АО веде до посилення ролі безвипромінювальних процесів ОР в рекомбінаційних процесах, що в свою чергу сприяє підвищенню температури перегріву АО.

6. Виявлено вплив на теплові процеси величини потенціальних барєрів на гетерограницях випромінюючих ГС. Встановлено посилення струмового перегріву активної області в подвійних ГС типу N - GASB / N - GAALASSB / n- GAINASSB / R - GAALASSB у порівнянні з одиночними ГС типу N-GASB / n-GAINASSB /R-GAALASSB викликане більшою величиною потенціальних барєрів, що поряд з обємними оже - процесами збільшує ймовірність інтерфейсних оже- процесів на гетерограницях. Кількісно визначено, що для одиночних ГС величина DT дорівнює @ 52 К (j@ 40 А/см2), тоді як для подвійних ГС її значення порядку @ 63 К. Внесок у перегрів активної області, обумовлений процесами оже-рекомбінації, склав для одиночних ГС @ 8 К, а для подвійних ГС @ 10 К.

7. Визначено вплив дислокацій невідповідності в гетероструктурах INASSBP/INAS на квантову ефективність ІЧ-випромінювачів. Показано, що при густині дислокацій менше 5 ? 103 см-2 (параметр неузгодженості ґраток Da/a0 = (0 - 0.15) %) їх вплив на квантову ефективність випромінювачів незначний, тоді як густина дислокацій невідповідності ~ (5 - 8) ? 106 см-2 (Da /a0 = 0.5 %) обумовлює суттєве падіння інтенсивності випромінювання.

8. Експериментально виявлено наявність аномальної деградації фізичних параметрів ІЧ-діодів на основі GAINAS/INAS в процесі довгострокової експлуатації, яка пояснена в межах феноменологічної теорії, що передбачає рекомбінацію за участю двох груп центрів (стабільних і нестабільних) при слабкій ефективності каналу ОР. Враховано інжекційно-термічну взаємодію і перетворення цих центрів: розпад і зменшення концентрації рекомбінаційно-ефективних нестабільних центрів та одночасне зростання концентрації стабільних центрів безвипромінювальної рекомбінації. Показано, що у випадку превалювання ОР над рекомбінацією Шоклі-Холла-Ріда спостерігається нормальна деградація параметрів ІЧ-діодів.

1. Сукач Г.А., Сыпко Н.И., Богословская А.Б. Тепловые процессы в светоизлучающих диодах при импульсном возбуждении // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1987. - Вып.11. - С. 41 - 47.

2. Влияние низкодозового облучения на характеристики излучающих структур на основе компенсированного арсенида галлия / Г.А. Сукач, Н.И. Сыпко, А.Б. Богословская, А.Е. Гафт, Е.А. Глушков, В.Д. Лисовенко, А.А. Литвин, В.А. Шевченко // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1993. - Вып.26. - С.64 - 70.

3. Разогрев в гетероструктурах на основе GAINASSB / Н.М. Колчанова, А.А. Попов, А.Б. Богословская, Г.А. Сукач // Письма в журнал технической физики. - 1993. - Т.19, вып. 21. - С. 61-65.

4. Исследование распределения примеси в области гетерограницы р - GAINASSB/ р - GAALASSB / А.Б. Богословская, Н.М. Колчанова, Ф.И. Маняхин, А.А. Попов, Г.А. Сукач // ФТП. - 1993. - Т.27, вып.27. - С.1574-1577.

5. Тепловые процессы в светодиодных гетероструктурах на основе GAINASSB / Н.М. Колчанова, А.А. Попов, Г.А. Сукач, А.Б. Богословская // ФТП. - 1994. - Т.28, №12. - С.2065-2072.

6. Тепловые параметры многоэлементных шкальных индикаторов при различном возбуждении / А.Б. Богословская, А.В. Бушма, П.Ф. Олексенко, Г.А. Сукач // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1996. - Вып.31. - С.84-89.

7. Инжекционно-термическая эволюция физических параметров ИК-излучателей на основе соединений INGAAS / Г.А. Сукач, А.Б. Богословская, Ю.Ю. Билинец, Н.Г. Сукач // Український фізичний журнал. - 1997. - Т.42, №1. - С. 77 - 84.

8. Тепловые и оже - процессы в p-n переходах на основе GAINAS/INAS и GAINASSB/INAS / Г.А. Сукач, П.Ф. Олексенко, А.Б. Богословская, Ю.Ю. Билинец, В.Н. Кабаций // Журнал технической физики. - 1997. - Т.67,№9. - С.68-71.

9. Effect of Auger recombination on thermal processes in INGAAS and INGAASSB IR-emitting diodes / G. A. Sukach, A. B. Bogoslovskaya, P. F. Oleksenko, Yu.Yu. Bilinets, V.N. Kabatciy. // Inrared Phys. & Techn. - 2000. - V.41. - P. 299-306.

10. Богословская А.Б., Сукач Г.А. Рекомбинационные процессы в оптоэлектронных структурах ИК-диапазона на основе соединений AIIIBV // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 2001. - Вып.36. - С.127-160.

11. Излучательные и тепловые свойства приборных структур на основе гетероэпитаксиальных пленок GAAS/GAALAS / Г.А. Сукач, Т.Т. Пиотровски, Э.Б. Каганович, А.Б. Богословская // IV Международная конференция по физике и технологии тонких пленок. Тезисы докладов. Ивано-Франковск (Украина). - 1993. - С.122.

12. Физические процессы в активной области гетероэпитаксиальных ИК-излучателей на основе GAINASSB / Г.А. Сукач, А.Б. Богословская, Н.М. Колчанова, А.А. Попов // IV Международная конференция по физике и технологии тонких пленок. Тезисы докладов. Ивано-Франковск (Украина). - 1993. - С.128.

13. Разогрев электронного газа в гетероструктурах на основе GAINASSB / А.Б. Богословская, Н.М. Колчанова, А.А. Попов, Г.А. Сукач // I Всероссийская конференция по физике полупроводников. Тезисы докладов, Н.-Новгород (Россия). - 1993. - С. 94.

14. Nonmonotonic profile of impurity dominant in the active region of GAINASSB- based double heteroepitaxial structure / A.B. Bogoslovskaya, N.M. Kolchanova, A.A. Popov, G.A. Sukach // Proc. 6 Int. Conf “Thin Solid Films”, Herson (Ukraine). - 1995. - v.1. - Р.174-177.

15. Оже - процессы в двойных гетероструктурах на основе GAINASSB / Г.А. Сукач, А.Б. Богословская, Н.М. Колчанова, А.А. Попов // V Международная конференция по физике и технологии тонких пленок. Тезисы докладов. Ивано-Франковск (Украина). - 1995. - ч.2 - С.262.

16. Auger recombination and thermal processes IR radiators based on GAINAS/INAS and GAINASSB/INAS heterostructures / G.A. Sukach, P.Ph. Oleksenko, A.B. Bogoslovskaya, Yu.Yu. Bilinets, V.N. Kabatsiy // Internanional Workshop on Advanced Techn. of Multicomp. Solid Films and Structures, Uzgorod (Ukraine). - 1996. - Р.57.

17. Богословская А.Б., Сукач Н.Г., Кабаций В.Н. Дефектообразование и релаксационные процессы в p-n-структурах на основе эпитаксиальных пленок соединений INGAAS / VI Международная конференция по физике и технологии тонких пленок. Тезисы докладов. Ивано-Франковск (Украина). - 1997. - С.27-28.

18. Effect of auger recombination on thermal processes in INGAAS and INASSBP IR-emitting diodes / G.A. Sukach, P.Ph. Oleksenko, A.B. Bogoslovskaya, N.G. Sukach // VII Intern. Conf. “Phys. Techn. of Thin Films”, Iv.-Frankivsk (Ukraine). - 1999. - P.121.

19. Сукач Г.А., Богословская А.Б. Влияние внутренних механических напряжений на характеристики излучателей ИК-диапазона // II Українська наукова конференція з фізики напівпровідників. УНКФН-2. Тези доповідей. - Чернівці (Україна). - 2004. - С. 528.

20. Сукач Г.О., Богословська А.Б., Чайкін В.І. Деградаційні процеси в ІЧ - випромінювачах на основі гетероструктур INGAAS/INAS // Матеріали X Міжнародної конференції з фізики та технології тонких плівок. Тези доповідей. Івано-Франківськ (Україна). - 2005. - т.2 - С.43-44.

Размещено на .ru