Современные светодиоды

Согласование параметров кристаллических решеток

В двойных гетероструктурах для создания активных и барьерных слоев используют разные материалы, которые, однако, должны иметь одинаковые кристаллические структуры и постоянные решеток. Невы­полнение этих условий ведет к возникновению на границе двух по­
лупроводников или вблизи нее специфических дефектов. На рис. 7.12 показаны дефекты, которые называются оборванными связями.

Из рис. 7.12 видно, что на границе двух материалов с разными зна­чениями постоянной кристаллической решетки могут сформироваться ряды оборванных связей. Такие дислокации несоответствия имеют вид линейно вытянутых дефектов, которые можно увидеть в растровом электронном микроскопе в режиме локальной катодолюминесценции. На катодолюминесцентном изображении структуры с нарушением со-

ответствия параметров кристаллических решеток выглядят как пере­крестные штриховые полосы (рис. 7.13). Темные полосы соответствуют линиям дислокаций, на которых происходят акты безызлучательной рекомбинации пар носителей.

Дислокации несоответствия могут возникать не на самой границе раздела двух материалов с разными значениями постоянной решетки, а на некотором удалении от нее. Это объясняется тем, что в начале процесса роста кристалла на полупроводнике с параметрами решетки, отличными от его собственных параметров, этот кристалл, обладая достаточной упругостью, растягивается так, что горизонтальная по­стоянная его решетки становится равной постоянной решетки ниже­лежащего кристалла-подложки. Именно такая ситуация показана на

6 О—©— ©—®—©— ©—© Л

т I I I I I I I I постоянная

1^1 решетки

• • ©—©—©—о—©—©—© J °°

• • • •—•—•—•—•—Л

і і || | | а | постоянная решетки

. п, L L L. L. Л п 1. [ ВДОЛЬ ПЛОСКОСТИ

_ •----- •---- •---- •---- • f~srf Г пленки ап

©—О.—О І І І і і И!

I III ®®^^®^^ I постоянная решетки

в0 | і | і і | л | по нормали к

А Л’ Л I I I I I Г* "И пленке а

О © О ©—©—©—©—©—©—© ■>!

| | | | | | | I постоянная

ill / Решетки

°—°—° ©—©—©—©—©—©—© J “°

Рис. 7.14. Кубические симметричные кристаллы с равновесными постоянными решеток ао и dj (а). Тонкий равномерно растянутый кристаллический слой с равновесной постоянной решетки ai, выращенный между двумя полупровод­никами с равновесной постоянной решетки ао (б). Равномерное растяжение предполагает, что постоянная решетки, параллельная поверхности пленки, становится равной ао, а нормальная постоянная решетки — а„

рис. 7.14. Однако по мере роста кристалла энергия, затрачиваемая на его растяжение до соответствующей формы, возрастает и в какой-то момент времени становится больше энергии, необходимой для обра­зования дислокаций несоответствия. Именно в этот момент тонкая выращенная пленка релаксирует и принимает форму, соответствующую равновесной постоянной ее решетки, формируя при этом дислокации несоответствия. Толщина пленки, при которой происходит формиро­вание дислокаций несоответствия, называется критической толщи­ной. Методика ее расчета приведена в работе Мэтьюза и Блэксли (Matthews, Blakeslee, 1976). Если решетки выращиваемого кристалла и подложки имеют разные периоды, вырастить слой, свободный от дислокаций, можно только при условии, что его толщина будет меньше критической, рассчитанной по методике Мэтью-Блэксли.

Плотность дислокаций несоответствия на единицу длины пропор­циональна величине рассогласования решеток. Следовательно, с ро­стом рассогласования квантовый выход излучения светодиодов падает. На рис. 7.15 показано снижение интенсивности излучения светодиодов AlInGaP, выращенных на подложках GaAs. Полупроводник AlInGaP, используемый для изготовления светодиодов красного свечения высо­кой яркости, хорошо согласован по параметрам кристаллических реше­ток с подложкой GaAs. Из рис. 7.15 видно: как только рассогласование решеток А а/а превысит значение 3 • 10~3, произойдет резкое падение интенсивности излучения.

В светодиодах GaAsP красного свечения, выращенных на подлож­ках GaAs, параметры решеток активной области плохо согласованы с параметрами решетки подложки, поэтому и квантовый выход та­ких светодиодов довольно невысок. Эти материалы имеют низкую стоимость. Самыми дешевыми светодиодами красного свечения были светодиоды GaAsP с гомогенными переходами, выращенные на под­ложках GaAs.

В то время как характеристики светодиодов, изготовленных из материалов семейств GaAs и InP, сильно зависят от поверхностной рекомбинации и рассогласования решеток, на параметры светодиодов на основе полупроводников семейства GaN эти явления практически не влияют. Это связано с тем, что

1) дислокации в нитридных соединениях типа GaN обладают более низкой электрической активностью;

2) диффузионная длина носителей в материалах типа GaN значитель­но меньше, чем в полупроводниках семейств GaAs и InP. Если среднее расстояние между дислокациями больше диффузионной длины носителей, в частности дырок, вероятность безызлучатель­ной рекомбинации на этих дефектах сравнительно невысока. Другая модель, объясняющая высокую эффективность светодиодов

InGaN, принимает во внимание флуктуации химического состава трой­ных твердых растворов, которые локализуют носители, препятствуя их диффузии к линиям дислокаций.