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

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 _n^I - общее, а _R^I – излучательное время жизни электронов в р⁺-области; – коэффициент инжекции электронов в эту область:

(2)

При малых по сравнению j_opch(d/L_p)(b  + 1)/8(bch(d/L_p) + 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 j_op, 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/L_p < l или b >>1 I_ор 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(U – U_k)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 N_v = N_vexp(–EA/kT). При низкой температуре (N_A > N_V) N_A=N_A а при высокой (N_A < N_V) N_A = 4N_A/ N_V и N⁰_А = N_A(N_A – N_D)/(N_A + N_v/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/L_p < l или b > 1:

. (7)

Данное выражение описывает не только крайние случаи (3) и (4), но также промежуточную область и определяется только одним параметром j_oр, 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 j_on 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

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 GaAs_1–XP_X 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 Al_XGa_1–XAs и GaAs_1–XP_X//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._xP_x ternary system // Progress in solid state chem. V.8. 1973. P. 127-165.