Вплив ефекту концентрування струму на поведінку електронно-діркової плазми в багатошарових світловипромінюючих структурах - Автореферат

З моменту створення і до нашого часу у розвитку багатошарових світловипромінюючих пристроїв, робота яких ґрунтується на інжекції носіїв заряду через p-n перехід (світлодіоди), було досягнено значних успіхів. Процес вдосконалення методів виготовлення світлодіодів пройшов від простих (дифузія, іонна імплантація) до більш складних епітаксіальних (рідко-фазна епітаксія і газо-фазна епітаксія з метал-органічних зєднань) і дуже складних та дорогих методів (молекулярно-променева епітаксія). Короткохвильові INGAN/GAN світлодіоди мають достатню енергію кванту електролюмінесценції для того щоб використовувати їх як джерела збудження (накачування) в твердотільних лазерах або білих світлодіодах і тим самим сприяють подальшому розвитку технології випромінювачів. Потужні ALGAAS світлодіоди ближнього ІЧ діапазону (?=0.8-0.9 мкм) також використовуються для збудження твердотільних лазерів. Він дає можливість встановити вплив рекомбінаційних параметрів активної області (відношення швидкостей випромінювальної і безвипромінювальної рекомбінації), а також особливостей розтікання струму на потужність випромінювання.Підвищення температури активної області для ІЧ світлодіодів на основі INASSB має особливе значення. Сублінійна залежність потужності електролюмінесценції від рівня інжекції пояснювалася термоактивованим витіканням носіїв із активної області, а також неоднорідністю розподілу випромінювання по активній області світлодіодів [3]. Експерименти показали, що при струмах І?100 МА (тривалість імпульсу - 160 мс) активна область INGAN фліп-чіп світлодіодів (розміщення сапфіровою підкладкою вверх) практично не нагрівається. Вимірювання температурних профілів в режимі коротких імпульсів струму (тривалість імпульсу на багато менше характеристичного часу теплової релаксації світлодіода) свідчать про виникнення двох “точкових” розігрівів, що знаходяться на перехрестях “вилочного” n-контакту в активній області. При однаковому струмі в більш довгохвильових світлодіодах (менша ширина забороненої зони активної області) спостерігається більш неоднорідний розподіл електролюмінесценції в порівнянні з короткохвильовими (більша ширина забороненої зони активної області) світлодіодами.Проведений на основі розробленої нелінійної моделі чисельний розрахунок протікання струму в багатошарових структурах показав, що ефект концентрування визначається лише електропровідностями та товщинами шарів (в тому числі і p-n переходу), а також геометрією контактних областей світлодіода. Локальний розігрів активної області світловипромінюючих структур, який виникає внаслідок ефекту концентрування струму, призводить до їх динамічної (насичення інтегральної потужності електролюмінесценції) і статичної (локальний пробій) деградації. Вимірювання температури розігріву світлодіодів видимої області на основі INGAN/GAN показали наявність в активній області значних температурних градієнтів ~104 °С/см. Порівняння просторових розподілів електролюмінесценції і температури показує, що сильний локальний розігрів відбувається в тих ділянках, де переважно відбувається рекомбінація інжектованих в активну область носіїв.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

1. Проведений на основі розробленої нелінійної моделі чисельний розрахунок протікання струму в багатошарових структурах показав, що ефект концентрування визначається лише електропровідностями та товщинами шарів (в тому числі і p-n переходу), а також геометрією контактних областей світлодіода.

2. Локальний розігрів активної області світловипромінюючих структур, який виникає внаслідок ефекту концентрування струму, призводить до їх динамічної (насичення інтегральної потужності електролюмінесценції) і статичної (локальний пробій) деградації.

3. Вимірювання температури розігріву світлодіодів видимої області на основі INGAN/GAN показали наявність в активній області значних температурних градієнтів ~104 °С/см. Градієнт температури в середині багатошарової випромінюючої структури з різними коефіцієнтами теплового розширення шарів, генерує пластичні механічні напруги в p-n переході і провокує катастрофічну деградацію приладу. Сумісна дія електричних (концентрування струму) і термічних (концентрування тепла) ефектів призводить до подавлення випромінювальної рекомбінації.

4. Порівняння просторових розподілів електролюмінесценції і температури показує, що сильний локальний розігрів відбувається в тих ділянках, де переважно відбувається рекомбінація інжектованих в активну область носіїв. Таким чином ефект концентрування не тільки обмежує область ефективного випромінювання, а і призводить до зменшення локального квантового виходу в ділянках підвищеної концентрації інжектованих носіїв.

5. При низьких рівнях інжекції вплив ефекту концентрування незначний, тоді як при великих він призводить до обмеження площі випромінюючої області світлодіодів на рівні кількох процентів. Ця немонотонність пояснюється нелінійними електричними властивостями p-n переходу.

6. Зменшення ширини забороненої зони активної області світлодіодів (збільшення довжини хвилі максимуму електролюмінесценції) призводить до зростання впливу ефекту концентрування струму, що відповідним чином відображається на просторових розподілах потужності електролюмінесценції.

7. Зважаючи на такі переваги ІЧ світлодіодів як швидкодія, високі ефективні температури, можливість імітації як позитивного так і негативного контрасту, вони можуть бути використані в приладах динамічної імітації ІЧ сцен.

8. Дослідження світлодіодів на основі ALGAAS/GAAS гетероструктур показує, що не дивлячись на високий внутрішній квантовий вихід і вигідну з точки зору розтікання струму двосторонню мезаструктуру, поряд з значним розігрівом (~50 °C) в них присутній також і значно неоднорідний розподіл температури активної області (~950 °С/см), який є відповідальним за передчасну деградацію приладів.

9. Передбачено існування двох типів ефекту концентрування: контактний ефект концентрування струму, що спостерігається безпосередньо біля поверхні металічного контакту (слабо залежить від величини загального струму), і ефект концентрування в активній області, який призводить до експериментально досліджуваних просторових неоднорідностей електролюмінесценції.

10. Проведені дослідження демонструють можливість суттєвого підвищення енергетичної ефективності багатошарових світловипромінюючих діодів шляхом модифікації геометрії контактних областей, оптимального вибору рівня легування і товщини світлодіодних шарів, а також ефективної конструкції радіатора.

1. Malyutenko V.K., Zinovchuk A.V., Malyutenko O.Yu. Band gap dependence of current crowding effect in 3-5 ?m INASSB/INAS planar light emitting devices. // Semicond. Sci. Technol. 2008. v.23. p.085004.

2. Zinovchuk A.V., Malyutenko O.Yu., Malyutenko V.K., Podoltsev A.D., Vilisov A.A. The effect of current crowding on the heat and light pattern in high-power ALGAAS light emitting diodes. // J. of Appl. Phys. 2008. v.104. p.033115.

3. Malyutenko V.K., Malyutenko O.Yu., Zinovchuk A.V. Room-temperature INASSBP/INAS light emitting diodes by liquid phase epitaxy for midinfrared (3-5 ?m) dynamic scene projection. // Appl. Phys. Lett. 2006. v.89. p. 201114.

4. Malyutenko V.K., Zinovchuk A.V. Midinfrared LEDS versus thermal emitters in IR dynamic scene simulation device. // Proc. SPIE. 2006. v.6368. p.63680D.

5. Malyutenko V.K., Malyutenko O.Yu., Zinovchuk A.V., Zakheim A.L., Zakheim D.A., Smirnova I.P., Gurevich S.A. Remote temperature mapping of high-power INGAN/GAN MQW flip-chip design LEDS. // Proc. SPIE. 2005. v.5941. p. 59411K.

6. Malyutenko V., Malyutenko O., Zinovchuk A., Zotova N., Karandashev S., Matveev B., Remennyi M., Stus N. INAS(Sb) LEDS and negative luminescent devices for dynamic scene simulation in the first atmospheric window (3-5 ?m). // Тези доповідей. Sixth International Conference on MIDINFRARED Optoelectronics Material and Devices, St. Petersburg, Russia, 28 June-2 July 2004, p. 77.

7. Малютенко В.К., Малютенко О.Ю., Зиновчук А.В. 2D микро-распределение света и теплового поля в светоизлучающих приборах made in Russia. // Тезисы VI международного украинско-российского семинара “Нанофизика и наноелектроника”, 26-28 сентября 2005, Киев, Украина, с. 56.

8. Зиновчук А.В., Малютенко В.К., Вилисов А.А., Захарова Г.Н. Эффекты стягивания тока в светоизлучающих диодах. // Тезисы Девятой конференции “Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V”, 3-5 октября 2006, Томск, Россия, с. 404.

9. Зіновчук А. INASSBP/INASSB світлодіоди для динамічної імітації сцен в середній інфрачервоній (3-5 мкм) області. // Тези конференції молодих вчених з фізики напівпровідників “Лашкарьовські читання - 2007”, 25-26 квітня 2007, Київ, Україна, с. 48.

10. Зиновчук А.В., Вилисов А.А. Real-time мониторинг теплового поля в мощных ALGAAS светодиодах. Тезисы VIII международного украинско-российского семинара “Нанофизика и наноелектроника”, 7-8 декабря 2007, Киев, Украина, с. 40.