Библиографическое описание:

Зайцев С. Н. Анализ влияния структуры излучающего р-n-перехода и параметров активной области на силу света и ее изменение при воздействии внешних факторов в светодиодах на основе Al0,33Ga0,67As // Молодой ученый. — 2012. — №11. — С. 45-48.

Введение

В ходе технологического цикла изготовления светодиодов, при длительной наработке и воздействии внешних факторов в объеме полупроводника возникают напряжения, точечные дефекты и макродефекты, в частности, дислокации [1]. При облучении кристаллов и p-n-переходов из кремния, арсенида галлия, твердых растворов арсенида галлия – фосфида галлия и карбида кремния быстрыми нейтронами в объеме возникают как точечные дефекты, так и их ассоциации типа кластеров [2–5].

Авторами было показано, что, обладая близкой к металлической проводимости, кластеры могут шунтировать p-n-переходы и компенсированные слои в активной области светодиода [4]. При облучении электронами и гамма-квантами в объеме возникают в основном точечные дефекты [2, 3, 6]. Под влиянием облучения в кристалле и, в частности, а активной области светодиода возникает широкий спектр энергетических уровней, играющих роль доноров, акцепторов, центров рекомбинации и захвата электронов и дырок, влияющих на инжекционную электролюминесценцию. Макропараметры активной области при этом меняются. При анализе мы исходили из модели светоизлучающего p-n-перехода, содержащего компенсированный слой в районе инверсии проводимости, как это было установлено ранее из исследования вольтамперных и вольтфарадных характеристик [7, 8].

В данной работе сделана попытка теоретического исследования влияния параметров активной области на силу света, что позволяет прогнозировать ее изменение при воздействии внешних факторов: температуры, времени наработки, облучения и т.д.

ЭЛ из оптически активных низкоомных р+ и n+-областей р+р(n)p+-структуры.

Для получения эффективной электролюминесценции (ЭЛ), снижения времени релаксации излучения и увеличения радиационной стойкости часто повышает уровень легирования оптически активной области активаторами люминесценции, причем в качестве последних обычно используют акцепторы.

Энергия ионизации последних, как правило, выше, чем доноров, что уменьшает температурное гашение ЭЛ, а концентрационное гашение в этом случае наступает при большей плотности примеси. Однако при малой плотности тока трудно получить эффективную инжекцию носителей в более легированную область. Наличие тонкого компенсированного слоя облегчает эту задачу. Если структуры несимметричны, т.е. проводимость одной из областей значительно выше, чем другой, то в значительном интервале токов преобладает инжекция носителей в ту область, сопротивление которой выше. Интенсивность ЭЛ из относительно высокоомной оптически активной р+-области несимметричной р+-р(n)-n -структуры равна:

(1)

где nI - общее, а RI – излучательное время жизни электронов в р+-области; – коэффициент инжекции электронов в эту область:

(2)

При малых по сравнению jopch(d/Lp)(b + 1)/8(bch(d/Lp) + l) плотностях электрического тока коэффициент инжекции значительно меньше единицы и является линейной функцией тока, что соответствует холовскому участку ВАХ. Разлагая в (35) подкоренное выражение в ряд и ограничиваясь тремя членами разложения, после подстановки в (1) получаем:

(3)

При обратном соотношении между j и jop, когда вторым слагаемым можно пренебречь, коэффициент инжекции достигает насыщения и при обычно реализуемых в светодиодах на А3 В5 условиях приблизительно равняется единице. ВАХ при этом выглядит так: или , а зависимость силы света от тока имеет вид:

. (4)

Приравнивая (3) и (4), нетрудно установить, что при условии d/Lp < l или b >>1 Iор представляет собой точку пересечения квадратичной и линейной зависимости силы света от тока.

Когда, наряду о инжекцией электронов в р+-область, имеет место эффективная инжекция дырок в n-слой, выражение для несколько видоизменяется [9]. Электрический ток j = B(UUk)2, а сила света, испускаемого р+-областью равна:

(5)

и при условии b > 1 практически совпадает с (4).

Если в р+-области имеет место излучательная рекомбинация электронов на нейтральных акцепторах, то излучательное время жизни равно:

,

где

, (6)

в том случае, если материал не компенсирован. В (6) gA – фактор вырождения акцепторного уровня, равный 4 в GaAs, из-за двукратного вырождения валентной зоны при К = 0, a Nv = Nvexp(–EA/kT). При низкой температуре (NA > NV) NA=NA а при высокой (NA < NV) NA = 4NA/ NV и N0А = NA(NA ND)/(NA + Nv/gn) в случае компенсации.

Используя (1) и выражение для коэффициента инжекции и концентрации нейтральных акцепторов (6) нетрудно получить обобщенное выражение для зависимости силы света из р+-области от тока, температуры и электрофизических параметров данной области, если преобладает излучательная рекомбинация свободных электронов на акцепторах, которое принимает особенно простой вид при выполнении одного из условий: d/Lp < l или b > 1:

. (7)

Данное выражение описывает не только крайние случаи (3) и (4), но также промежуточную область и определяется только одним параметром joр, который может быть рассчитан по формуле:,измерен экспериментально по точке пересечения кривых и , и является функцией температуры. Если излучательная рекомбинация преобладает в менее легированной по сравнению с р+-слоем n+-области, то:

, (8)

где – общее, а – излучательное время жизни в этой области, а – коэффициент инжекции дырок в данную область [15]:

. (9)

При малых по сравнению с jon токах:

, (10)

а при больших

, (11)

и в подавляющем большинстве случаев (за исключением сильного прилипания дырок в длинном светодиоде коэффициент инжекции дырок в оптически активную n+-область близок к единице. На клайменовском участке ВАХ

, (12)

а прилипание электронов (b < 1) улучшает, а дырок (b > 1) значительно ухудшает инжекцию и вследствие этого эффективность ЭЛ из n+-слоя.

Таким образом, в отличие от низкого уровня инжекции, снижение световыхода при воздействии внешних факторов может быть следствием не только деградации времени жизни, но и генерации ловушек, а также доноров (акцепторов) в активной области светодиода.

Если известны зависимости электрофизических параметров активной области от внешних факторов (температуры, времени наработки, облучения), то на основе выведенных соотношений не трудно предсказать изменения электрических и световых характеристик при внешних воздействиях. Возможно также решение обратной задачи – оценка изменения параметров активной области по эволюции вольтамперных, вольт-фарадных и световых характеристик, например, при облучении.

Заключение

В табл. 1 суммированы зависимости силы света из различных областей р+-р(n)-n+-структуры от тока для основных участков ВАХ в режиме высокого уровня инжекции в компенсированном слое. Из нее видно, что в большинстве случаев, но не всегда сила света пропорциональна величине отношения p/R. Электронные и дырочные ловушки снижают интенсивность ЭЛ из компенсированного слоя, однако они способны к взаимной компенсации. Дырочные ловушки не влияют на интенсивность ЭЛ из низкоомной р+-области и снижают силу света в n+-слое. Электронные ловушки проявляются альтернативным образом. Интенсивность ЭЛ из компенсированного слоя увеличивается при росте уровня легирования (точнее величины произведения или ) хотя бы одной из низкоомных областей. И, наконец, в большинстве случаев интенсивность ЭЛ не зависит от размеров активной области.

Таблица 1

Зависимости силы света из р+, p(n) и n+-областей p+-p(n)-n+-структуры от тока
на различных участках ВАХ для линейной (а) и квадратичной (
b)
излучательной рекомбинации из компенсированного слоя

р+

n*

n+

a) b)

a)

b)

a)

b)


Выражаю искреннюю благодарность своему научному руководителю Д.Т.Н. профессору Рыжикову И.В. за постановку проблемы.


Литература:

  1. Кузнецов Г.Ф. Влияние дислокаций, упругих и пластических деформаций, изменений состава твердого раствора по толщине слоев в многослойных гетероструктурах на надежность микроэлектронных и оптоэлектронных приборов. М., 1989. 42 с.

  2. Уваров Е.Ф., Храмцов АЛ. Оптические и люминесцентные свойства облученных широкозонных полупроводников//Обзор по электронной технике. М., 1979. Вып.П. С. 64.

  3. Уваров Е.Ф. Электрофизические свойства полупроводниковых соединений А3В5, облученных быстрыми электронами и нейтронами//Обзор по электронной технике. М., 1979. Вып. 9. 68 с.

  4. Рыжиков И.В., Уваров Е.Ф., Касаткин И.П. Исследование монополярной и двойной инжекции и инжекционной электролюминесценции в a-SiC(6H), облученном нейтронами // Эл. Техника. Сер.2. 1981. Вып.4. С. 32-39.

  5. Мс Nichols I.L., Berg N.I. Newtron-induced metallic spike zones in GaAs // IEEE Trans on Nuclear Scientific, 1974. V.S. 18. #6, P. 21-30.

  6. Neuse C.I., Shade H. and Herrik D. Efficiency degradation of GaAs1–XPX electroluminescent diodes // Metal Trans. 1970. V.l. #3. P. 587-591.

  7. Рыжиков И.В., Новоселова И.А., Рыкалин В.И., Николаев Ю.Н. Электрические и оптические свойства сильно компенсированных слоев в фосфидогаллиевых светодиодах. Радиотехника и электроника, 1968. Т.13. Вып.З. С. 514-523.

  8. Пронин Б.В., Рыжиков И.В., Титова В.Ф. Исследование вольтамперных характеристик в прямом направлении p-n-переходов на основе твердых растворов AlXGa1–XAs и GaAs1–XPX//Электронная техника / Сер. П. 1972. Вып.4. С. 23-27.

  9. Рыжиков И.В. К вопросу об инжекционных свойствах несимметричных р+р(n)n+-структур с тонкой компенсированной областью // Электронная техника. Сер. 2. Вып.5. 1971. С. 29-37.

  10. Craford M.G. Properties on electrolum. Of the GaAsi.xPx ternary system // Progress in solid state chem. V.8. 1973. P. 127-165.


Основные термины (генерируются автоматически): активной области, внешних факторов, воздействии внешних факторов, параметров активной области, коэффициент инжекции, силы света, активной области светодиода, зависимости силы света, Рыжиков И.В, влияние внешних факторов, влияния различных факторов, силу света, Похожая статья, коэффициент инжекции дырок, закономерностей влияния запыленности, точечные дефекты, Анализ закономерностей влияния, влияния запыленности воздуха, Оценка влияние внешних, интенсивность ЭЛ.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос