ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

СТАБИЛЬНОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Исследованию стабильности излучающих диодов посвящено большое число экспериментальных и теоретических работ. Интерес к этой проблеме связан с необходимостью обеспечения высокой дол­говечности приборов, причем требование долговечности часто соче­тается с другими требованиями, например низкой материалоемко­сти. Последнее требование приводит к росту рабочих плотностей тока, что может влиять на стабильность приборов.

В литературе нестабильность оптических параметров диодов часто называют деградацией. Деградация излучающих диодов про­является в том, что основные характеристики прибора — внешний квантовый выход, сила света или мощность излучения — понижают­ся в процессе работы, т. е. при протекании тока в прямом направ­лении. Наиболее интенсивная деградация приборов происходит в чачале работы (первые 10—100 ч). Затем наблюдается замедление деградации, и возможно даже ее полное прекращение после до­статочно длительного времени работы. Повышение силы тока и ра­бочей температуры увеличивают скорость деградации.

Доказано, что деградация ие является результатом разогрева р—п-перехода при протекании тока, так как не наблюдается при длительном хранении приборов при умеренно повышенной темпе­ратуре без электрической нагрузки. Деградация ие наблюдается также при приложении к диодам обратного смещения (не превы­шающего -напряжения пробоя). Таким образом, деградация вызы-

Рис. 7.1. Типичная эволюция

вольт-ампериой характеристики GaP-диодэ в процессе деграда­ции [139]

вается физическими явлениями, протекающими в р—«-структуре под воздействием тока в прямом направлении.

Общей характерной чертой деградации различных светоизлу­чающих диодов является возрас­тание прямого тока через р—п - переход (при фиксированном на­пряжении). Показано, что этот избыточный ток протекает через объ­ем р—/г-структуры, а не через поверхность. Типичный пример изме­нения вольт-амперных характеристик диода в процессе деградации показан на рис. 7.1.

Для объяснения природы этого тока и причин его появления предложено несколько моделей.

1. Модель Лонжини, предполагающая миграцию междоузель - ных атомов примеси к р—n-переходу из толщи структуры в ре­зультате снижения тормозящего электрического поля р—п-перехода при прямом смещении [140]. Появление дополнительных глубоких уровней в запрещенной зоне приводит к возрастанию туннельно­рекомбинационной компоненты тока и снижению внутренней кван­товой эффективности.

2. Модель Голда—Вайсберга, предполагающая перевод атомов примеси, являющихся центрами излучательной рекомбинации, из уз­лов в междоузлия вследствие локального выделения колебательной энергии при акте безызлучательной рекомбинации [141]. В резуль­тате этого снижается квантовый выход излучения как вследствие уменьшения коэффициента инжекции (за счет возрастания тун­нельной компоненты тока, обусловленной ростом концентрации де­фектов по Френкелю), так и вследствие увеличения излучательного времени жизни (см. также [142, 143]).

Модели Голда—Вайсберга и Лонжини могут действовать сов­местно. -

3. Модель Шейикмана — Лукьянчиковой, предполагающая воз­никновение в р—п-переходе участков, имеющих уменьшенную ширину слоя объемного заряда, через которые протекает ток тун­нельного характера.

Есть и другие модели. Однако полной физической картины де­градации светоизлучающих приборов в настоящее время нет.

Многочисленными экспериментальными исследованиями уста­
новлено, что на эффект деградации приборов влияют различные факторы: а) кристаллографическое совершенство вещества в обла­сти р—п-перехода, определяемое, в частности, способом создания Р—n-структуры; б) легирующие добавки в активной области струк­туры, которые могут ускорять или замедлять деградацию; в) кон­центрации носителей с обеих сторон р—п-перехода; г) состояние поверхности кристалла, особенно в месте выхода р—п-перехода иа - ружу; д) механические напряжения в области р—п-перехода, за­висящие, в частности, от свойств омических контактов и конструк­ции прибора; е) эффективность отвода тепла от р—п-перехода, оп­ределяемая конструкцией кристалла и прибора и т. п.

Не следует забывать, что деградация приборов может происхо­дить также в результате снижения коэффициента пропускания све­та полимерным корпусом, понижения коэффициента отражения све­та металлическим отражателем и других подобных причин. Эти факторы должны. тщательно проверяться при конструировании при­боров.

Анализ имеющихся экспериментальных данных по стабильности излучающих диодов из различных эпитаксиальных структур при разных плотности тока и температуре позволяет сделать выводы:

1. Наибольшей деградацией характеризуются светоизлучающие диоды из GaP : Zn, О; возможные причины деградации приборов из этой структуры следующие:

A. Высокая концентрация доноров в n-области (около IX XЮ18 см-3), обусловленная необходимостью обеспечения высокого коэффициента инжекции электродов в активную р - область. Благо­даря высокой концентрации доноров могут возникать структурные дефекты в области р—«-перехода, преципитаты, понижающие внут­ренний квантовый выход электролюминесценции, а также участки с уменьшенной шириной области объемного заряда, которые могут снижать коэффициент инжекции носителей; в одной из работ пока­зано, что деградационные процессы ускоряются при возрастании концентрации доноров выше 5-Ю17 см-3. Высокая концентрация доноров может сопровождаться повышенной концентрацией меди.

Б. Распад Zn—О комплексов в результате тепловых выбросов атомов Zn из узлов в междоузлия [139, 142] вследствие выделе­ния энергии при безызлучательиой рекомбинации инжектированных носителей. Такой механизм' возможен в связи с тем, что Zn явля­ется слабо связанной примесью в GaP. Вследствие понижения кон­центрации Zn—О комплексов уменьшается интенсивность излуча­тельной рекомбинации в р-области.

B. Образование глубоких центров в p-области, приводящих к повышению доли безызлучательиой рекомбинации; найдены ловуш­ки с энергией от 0,18 до 0,82 эВ, концентрация которых возрастает в ходе деградации.

Г. Образование дефектов структуры в области объемного заря­да, по-видимому, дислокаций [144], приводящих к росту безызлу - чателыюй компоненты прямого тока. Такой механизм деградации наблюдается при работе диодов из GaP как с красным свечением (при легировании Zn и О), так и с зеленым свечением (N).

2. Более высокой стабильностью, чем диоды из GaP : Zn, О, об­ладают GaP-диоды, легированные N; возможные причины повыше­ния стабильности GaP : N-диодов следующие.

A. Более низкий уровень легирования эпитаксиальной «-области мелкозалегающими донорами (3—10)-1016 см-3, необходимый для достижения высокого внутреннего квантового выхода излучения; благодаря этому удается получить более совершенную по кристал­лографической структуре область р—«-перехода и расширить об­ласть объемного заряда.

Б. Азот занимает вакансии фосфора, благодаря чему происхо­дит как бы залечивание дефектов структуры.

B. Азот более легкий атом, чем фосфор, что, по-видимому, об­легчает рассеивание энергии, выделяемой при безызлучательной рекомбинации, в решетке полупроводника.

Более высокая стабильность диодов из GaP : N по сравнению с диодами из GaP : Zn, О была убедительно подтверждена при испы­тании двухпереходных светоизлучающих диодов, содержащих в одном кристалле два р—«-перехода: один легирован Zn и О, вто­рой — N.

3. Излучающие диоды на основе двухслойных эпитаксиальных структур GaAs: Si обладают более высокой стабильностью, чем диффузионные диоды из GaAs. Одной из причин этого может слу­жить то, что Si обладает меиьшей, чем другие примеси (Se, Те), склонностью к образованию преципитатов в GaAs, что способству­ет повышению кристаллографического совершенства активной и пе­реходной областей диода; одновременно наличие широкого компен­сированного слоя в области объемного заряда структур GaAs: Si препятствует появлению локальных сужений обедненной области. Кроме того, энергия активации, необходимая для перевода Si из узла в междоузлие, существенно превышает аналогичную энергию для Zn.

Типичное относительное изменение мощности излучения ИК диодов из GaAs: Si после 500 ч работы при плотности тока около 20 А/см2 составляет минус 10 %, максимальное изменение ми­нус 35 % •

4. Излучающие диоды инфракрасного диапазона на - основе ге­тероструктур в системе AIAs—GaAs с - активной областью из Gai_*Al, As обладают более высокой стабильностью, чем диоды с областью рекомбинации из GaAs. Одна из причин высокой стабиль­ности диодов с активной областью из Gai-iAUAs, по-видимому, в

том, что введение А1 приводит к лучшему совпадению постоянных решетки эпитаксиального слоя и подложки при температуре эпитак­сиального выращивания, а тем самым — к уменьшению механических напряжений и плотности дислокаций несоответствия. Одновременно можно предположить, что, поскольку А1 является более легким ато­мом, чем Ga, облегчается рассеивание тепловой энергии, выделяе­мой при рекомбинации, в решетке полупроводника.

Для светоизлучающих диодов с красны^ свечением Gao,7Alo,3As часто характерна аномальная деградация, состоящая в увеличении эффективности, в основном, в первые 100 ч работы. При этом у отдельных. образцов эффективность возрастает в 1,5 раза. Причи­на аномальной деградации, по-видимому, в отжиге дефектов гете - роструктуры.

На диодах инфракрасного излучения из Gai_*Al*As достигнута стабильная работа при сверхвысокой плотности тока (в диодах для ВОЛС — при плотностях тока 3500—7000 А/см2). Такая стабиль­ность обеспечивается совершенной кристаллографической структу­рой активной области и специальным устройством приборов (малая площадь возбуждения, локализованная внутри кристалла, благода­ря чему обеспечивается эффективный теплоотвод от области реком­бинации).

Рассмотрим влияние ряда легирующих добавок на скорость де­градации диодов. В диодах из GaAs или Gai_xAl*As цинк являет­ся меиее желательной акцепторной примесью, чем Ge. Одиако сле­дует отметить, что скорость деградации диодов, легированных цин­ком, существенно зависит от совершенства кристаллографической структуры активной области. Так, диффузионные диоды из GaAs деградируют существенно быстрее, чем жидкос’гно-эпитаксиальиые диоды из GaAs или Ga, - .^ALAs. Тем ие меиее и в случае жидкостно­эпитаксиальных структур для работы при высокой плотности тока предпочтительнее легировать активную область Ge, а не Zn. Этот вывод подтверждают результаты сравнительного исследования ста­бильности диодов инфракрасного излучения на основе гетероструктур, активная область которых p-Ga1_A.( Alrj As легировалась либо Zn, либо Ge [145].

Другим примером влияния легирования на деградацию прибо­ров может служить влияние степени легирования GaP-структур N. При исследовании этого явления двойные жидкостно-эпитаксиаль­ные структуры выращивались методом принудительного охлажде­ния системы. Азот вводился из GaN или P3N5, либо вообще ие вводился. Максимальная концентрация N достигалась при легиро­вании из P3N5. Стабильность параметров приборов в процессе ра­боты возрастала при увеличении концентрации N (рис. 7.2).

Во многих работах показано, что присутствие меди ухудшает стабильность приборов, изготовленных из соединений типа AI1IBV. В ряде случаев - определена энергия активации процесса деградации светоизлучающих диодов, значение которой оказалось близким к значению энергии активации диффузии меди. В связи с изложен­ным, при изготовлении приборов необходимо принимать меры, на­правленные на исключение или ограничение проникновения меди в излучающую р—п-структуру.

Влияние механических напряжений иа деградацию светоизлуча­ющих диодов видно иа таком примере. Из эпитаксиальных структур GaP:Zn,'0 изготавливались диоды с различными омическими кон­тактами к p-слою, толщина которого составляла 10 мкм. В одном случае был изготовлен тонкопленочный омический контакт из Ni—• Au—Zn, в другом случае — контакт в виде шарика из сплава In—Ni—Zn. Испытания иа стабильность показали, что диоды с ша­риковым контактом деградировали значительно сильнее: среднее относительное изменение силы света составило минус 38%, вместо минус 2 % для диодов с пленочным контактом. Причина сильной деградации диодов с шариковым контактом, по-видимому, в меха­нических напряжениях в р—п-переходе, возникших под местом расположения контакта.

В ряде работ показано, что механические напряжения способ­ствуют возникновению дислокаций в активной области структуры,
что проявляется в виде так называемых темных линий при наблю­дении свечения в ближнем поле. Появление темных линий сопро­вождает сильную деградацию приборов. Возникновение дислокаций может быть связано также с несовершенством подложки, на ко­торой выращивалась структура.

Опыт конструирования приборов показал, что при недостаточ­ном учете различия в коэффициентах термического расширения кристалла, припоя, полимерного материала и держателя под воз­действием климатических факторов в процессе испытаний (напри­мер, резкой смены температур) возникают механические напряже­ния в кристаллах, которые могут приводить к сильной деградации фотометрических параметров приборов.

Состояние поверхности в месте выхода р—п-перехода наружу весьма существенно влияет на стабильность параметров приборов в работе. Так, диоды с химически вытравленной мезаструктурой, как правило, более стабильны, чем диоды из кристаллов, у которых р—n-переход выходит на резаную (хотя и травленую после рез­ки) поверхность [108]. Для диодов с мезаструктурой достигнутые значения плотности тока, при которых деградация параметров не­велика, составляют 25—30 А/см2 для диодов из GaP : N и 50— 100 А/см2 для диодов из Gao,7Alo.3As (рис. 7.3).

Наличие планарного р—п-перехода (выход р—п-перехода на поверхность кристалла закрыт пленкой диэлектрика) положительно сказывается на стабильности и надежности приборов. Об этом сви­детельствуют результаты испытаний диодов и цифровых индика­торов из твердого раствора GaAsi_*P*, где р—n-переход, как пра­вило, планарный. Эти приборы стабильно работают при плотности тока, превышающей 25 А/см2, при температуре до +70 °С.

Прямой ток и окружающая температура, как уже указывалось выше, существенно влияют на 'скорость деградации фотометричес­ких параметров приборов. На рис. 7.4 приведены типичные относи­тельные изменения (за 500 ч работы) силы света светоизлучающих диодов, изготовленных из основных видов эпитаксиальных струк­тур.

Как следует из рисунка, при комнатной температуре среднее изменение силы света близко к нулю, хотя наблюдаются диоды, из­менение параметров которых лежит в пределах ±20 % (заметим, что погрешность измерения силы света близка к 20 %). При тем­пературе +70 °С и токе 20 мА среднее изменение силы света дио­дов из GaP : N и GaP : N, Zn—О составляет минус 12%, а макси­мальное изменение — минус 30%. Для диодов из GaP:Zn, О сред­нее изменение силы света при токе 12 мА и температуре +70 °С составляет минус 10 % при максимальном изменении минус 20— 25 %. Поведение светоизлучающих диодов с красным свечением из гетероструктур с примерным составом активной области

p-Qao,7Al<j,3As: Zn при работе в рассмотренных режимах и усло­виях характеризуется незначительным изменением средних значе­ний силы света и существенным изменением параметров отдельных диодов, особенно в сторону увеличения силы света (до +60%).

Из рис. 7.4 также следует, что для диоДЬв из GaP увеличение температуры от +25 до 70 °С приводит к меньшему росту скоро­сти деградаций, чем увеличение рабочего тока с 20 до 50 мА при комнатной температуре. Таким образом, скорость деградации зави­сит наиболее существенно от плотности тока через р—п-переход.

Под сроком службы светоизлучающих приборов в настоящее время, в большинстве случаев, понимается отрезок времени, за ко­торый фотометрический параметр прибора уменьшается до поло­вины своего исходного значения. Для большинства светоизлучаю­щих приборов срок службы превышает десятки тысяч часов. По­скольку проведение испытаний на полный срок службы приводит К техническим трудностям и неоправданным экономическим затра­
там, проводится разработка методов испытаний приборов в фор­сированных режимах Основа ускоренных испытаний в форсирован­ных режимах — аналитические зависимости, связывающие скорости изменения параметров или характеристики надежности с ускоряю­щими факторами. Для светоизлучающих приборов в качестве уско­ряющих факторов исследуется возможность использования повы­шенных температур и плотности тока.

В заключение отметим, что исследования процессов деградации продолжают играть важную роль, особенно в связи с ростом плот­ности тока, необходимой для создания высокоэффективных прибо­ров (диоды для ВОЛС, некоторые виды светоизлучающих диодов), а также для повышения абсолютной величины силы света, свето­вого потока, мощности излучения и других фотометрических пара­метров.