Современные светодиоды

Слой растекания тока

В светодиоде с тонким верхним барьерным слоем ток инжектиру­ется в ту часть активной области, которая расположена под верхним электродом. Следовательно, свет генерируется преимущественно в об­ласти под непрозрачным металлическим контактом, что ведет к низкой величине коэффициента оптического вывода такого светодиода. Эту проблему можно решить при помощи слоя растекания тока, уводя­щего ток в области, расположенные за пределами верхнего электрода.

Слой растекания тока и окно (оконный слой) синонимы. Термин «оконный» указывает на то, что данный слой прозрачный и что он предназначен для повышения коэффициента оптического вывода све­тодиода.

Полезные свойства таких слоев были обнаружены еще на ранних этапах развития светодиодов. Так, в работе (Nuese et al., 1969) было показано, что применение слоев растекания тока существенно повыша­ет оптическую мощность светодиодов GaAsP. Окно является первым полупроводниковым слоем, расположенным между верхним барьерным слоем и верхним омическим контактом. На рис. 8.1 показано влияние слоя растекания тока. Из рис. 8.1, а видно, что в светодиоде без этого слоя свет излучается только по периметру верхнего контакта, а введение окна позволяет получить более ровную и яркую излучающую поверхность, показанную на рис. 8.1,6.

В работе (Nuese et al., 1969) рассмотрены слои растекания тока, со­стоящие из тройных твердых растворов GaAsP и бинарных соединений GaP, и определены требования к таким слоям. Окна должны обладать низким удельным сопротивлением, большой толщиной для усиления эффекта растекания тока и прозрачностью для снижения потерь на поглощение. Для уменьшения потерь на поглощение в этой работе предложено увеличить концентрацию фосфора в твердом растворе GaAsi_xP* (0,45 < х < 1) в слое растекания тока, что выше его доли в активной области GaAsi-aPx (х = 0,45). При таком соотношении концентраций фосфора слой растекания тока будет обладать большей шириной запрещенной зоны, чем активная область. Однако свойства слоев растекания тока были рассмотрены только качественно. Теоре­тические основы применения этих слоев в устройствах с линейной геометрией контактов, которые будут обсуждаться в следующем разде­ле, даны в работе Томпсона (Thompson, 1980). Слои растекания тока используются в структурах большинства светодиодов с расположением р-п-перехода (областью излучения) в верхней части кристалла — све­тодиоды AlGaAs (Nishizawa et al., 1983; Moyer, 1988), GaP (Groves et al., 1977, 1978a, 1978b) и AlInGaP (Kuo et al., 1990;Sugawara et al., 1991, 1992a, 1992b).

Рис. 8.2 схематично иллюстрирует влияние слоя растекания то­ка. Без этого слоя (рис. 8.2, а) область инжекции носителей тока в активную область практически ограничена размерами контакта. При добавлении слоя растекания область инжекции заметно увеличивается (рис. 8.2,6).

Слои растекания тока применяются преимущественно в струк­турах светодиодов с областью излучения, расположенной сверху. На рис. 8.2, в и г показаны структуры двух светодиодов AlInGaP видимого спектра излучения, выращенные на подложках GaAs. Об использовании GaP-слоев растекания тока сообщалось в работах Куо и др. (Kuo et al., 1990) и Флетчера и др. (Fletcher et al., 1991а, 1991b). Ширина запрещенной зоны GaP, Едоар = 2,26 эВ, поэтому слой

прозрачен для излучения красной, оранжевой, желтой и зеленой обла­стей видимого спектра. Были изготовлены светодиоды с длинами волн излучений вплоть до 550 нм. Бинарный полупроводник GaP прозрачен для фотонов с энергией меньше ширины запрещенной зоны. В спектрах поглощения GaP слабо выражен «хвост Урбаха» в области Тіш < Ед. Кроме того, GaP относится к классу непрямозонных полупроводников, коэффициент поглощения которых меньше, чем прямозонных. Поэтому свет мало поглощается даже в толстом слое растекания тока.

Однако между параметрами решеток GaP и нижележащих эпитак­сиальных слоев существует довольно большое несоответствие. Посто­янные решеток нижнего и верхнего барьерных слоев, а также активной области согласованы с постоянной решетки GaAs подложки. Поскольку постоянная решетки GaP меньше постоянной GaAs приблизительно на 3,6%, существует большая вероятность возникновения проникаю­щих дислокаций и дефектов несоответствия на границе GaP — верхний барьерный слой. Можно предположить, что дислокации, играющие роль центров безызлучательной рекомбинации, не будут приводить к ослаблению внутреннего квантового выхода излучения светодиодов, поскольку они расположены либо в слое растекания тока, либо на его границе с барьерным слоем, т. е. вдали от активной области. Однако если в ходе работы устройства эти дислокации прорастут вниз, ближе к активной области, квантовый выход и надежность светодиодов могут ухудшиться. Правда, опыт показал, что эти явления довольно редки: светодиоды AlInGaP/GaAs обладают отличной надежностью и высоким квантовым выходом излучения.

Альтернативный подход к повышению коэффициента оптического вывода светодиодов AlInGaP/GaAs при помощи слоев растекания тока AlGaAs предложен в работах Сугавары и др. (Sugawara et al., 1991, 1992а, 1992b). При всех х в диапазоне 0 ^ х ^ 1 параметры решетки твердых растворов AlxGai_xAs согласованы с постоянной решетки GaAs. Ширина запрещенной зоны AlAs EsaiAs = 2,9 эВ. При х > 0,45 AlxGai_xAs становится непрямозонным полупроводником. Коэффици­ент поглощения непрямозонных полупроводников намного меньше, чем прямозонных. Поскольку постоянные решеток окна AlGaAs и ниже­лежащего барьерного слоя согласованы, дислокации несоответствия в слое AlGaAs, в отличие слоя растекания GaP, не возникают. Однако в слое растекания тока AlGaAs происходит более сильное поглощение света, чем в слое GaP. Это связано с тем, что AlGaAs является тройным твердым раствором, которому присущи заметные флуктуации концентрации катионов (алюминия и галлия), ведущие к локальным изменениям ширины запрещенной зоны. Это повышает вероятность поглощения фотонов, имеющих энергию меньше ширины запрещенной зоны AlGaAs. Следовательно, показатель хвоста Урбаха у AlGaAs существенно выше, чем у GaP.

Хорошо известно, что методом эпитаксии металлоорганических со­единений из газовой фазы, являющимся основной технологией со­здания кристаллов светодиодов, очень трудно вырастить структуры, содержащие алюминий. Это связано с тем, что алюминий облада­ет повышенной способностью к вступлению в химические реакции и нелегко обеспечить полное отсутствие загрязнения или дефектов на поверхности подложки при выращивании Al-содержащих слоев. Даже самые незначительные протечки в технологическом оборудовании мо­гут привести к разрушению Al-содержащих пленок. Поэтому на прак­тике используют не чистый алюминий, а компоненты с большим его содержанием, например AlAs. Это ведет к ухудшению характеристик слоя растекания тока AlGaAs и их приближению к параметрам слоя GaP. Также следует отметить, что электрические свойства AlAs и AlGaAs с высоким содержанием алюминия несколько хуже, чем у GaP. Однако несмотря на все это, светодиоды AlInGaP слоями растекания тока AlGaAs выпускают серийно, и это направление продолжает раз­виваться.

На рис. 8.3 показано влияние слоя растекания тока GaP р-типа толщиной 2-15 мкм с удельным сопротивлением 0,05 Ом-см на вели­чину коэффициента оптического вывода AlInGaP светодиода (Fletcher et al., 1991а). Приведены данные съемки в микроскопе со встроенной видеокамерой. Для получения показанного профиля интенсивности излучения применялось сквозное сканирование кристалла светодиода в одном направлении, включая центральную часть контактной пла-

6 Ф. Е. Шуберт

стины. Исходя из того, что в любой заданной точке интенсивность излучения прямо пропорциональна плотности тока, удалось определить характеристики распределения тока по слою окна. При толщине окна до 2 мкм наблюдается незначительное растекание тока. Когда толщина этого слоя становится равной 15 мкм, область растекания тока почти достигает краев кристалла. Еще большее увеличение толщины ведет к росту плотности тока по краям кристалла. Однако этого следует избегать из-за одновременного роста влияния поверхностной рекомби­нации.

На рис. 8.4 представлено влияние эффекта растекания тока на внешний квантовый выход светодиодов AlInGaP/GaAs с окном из GaP. При достаточно толстых слоях растекания тока коэффициент оптиче­ского вывода светодиодов увеличивается приблизительно в 8 раз. При сравнении данных измерений при постоянном токе и в импульсном режиме видно некоторое падение квантового выхода излучения свето­диодов при больших токах, что связано с их нагревом.

В работах Сугавары и др. (Sugawara et al., 1991, 1992а, 1992b) проводился поиск оптимальной толщины слоев растекания тока Alo,7oGao,3oAs, используемых в светодиодах AlInGaP/GaAs. Концентрация легирующих примесей р-типа в Alo,7oGao,3oA. s слое

q _ Светодиод AlInGaP со слоем растекания тока из GaP

4

Рис. 8.4. Зависимости внешнего квантового выхода излучения (числа фотонов на один электрон) и световой отдачи (лм/Вт) светодиодов AlInGaP/GaAs с ок­ном из GaP толщиной 2 мкм, 5 мкм и 15 мкм от прямого тока. Сплошные линии соответствуют режиму постоянного тока, штриховая линия — импульсному ре­жиму (импульсы длительностью 400 не со скважностью 300). В режиме посто­янного тока наблюдается больший нагрев светодиодов (Fletcher et al., 1991а).

растекания была равна 3 • 1018 см~3. На рис. 8.5 показана зависимость квантового выхода диода от толщины слоя растекания. Видно, что оптимальная толщина окна лежит в диапазоне 5-30 мкм. Для слоев толщиной 15 мкм эффективность светодиодов возрастает в 30 раз по сравнению со светодиодами без слоев растекания тока. Было также показано, что оптимальная концентрация легирующих примесей в слое растекания тока р-типа должна быть меньше 1018см_3.

Применение очень тонких слоев растекания тока (или их от­сутствие) приводит к тому, что большая часть света генерируется в области, расположенной под непрозрачной металлической пластиной контакта, которая мешает выводу излучения за пределы кристалла светодиода. Применение очень толстых окон также имеет свои недо­статки. Во-первых, при использовании толстых слоев растекания то­ка на краях кристаллов светодиодов образуются области повышенной плотности тока, усиливающие поверхностную рекомбинацию и умень­шающие квантовый выход светодиодов. Во-вторых, с ростом толщины слоя растекания усиливается поглощение в этой области фотонов, обладающих энергией меньше ширины запрещенной зоны. В-третьих, окно большой толщины увеличивает омическое сопротивление дио­да, что также снижает его эффективность. В-четвертых, большая длительность процесса выращивания толстых слоев растекания тока может привести к диффузии легирующих примесей из барьерного слоя

0,8

Рис. 8.5. Зависимость квантового выхода светодиодов AlInGaP/GaAs красного свечения, излучающих свет с длиной волны 565 нм, от толщины слоев расте­кания тока Alo,7oGao,3oAs (Sugawara et al., 1992а)

в активную область, что вызовет снижение внутреннего квантового выхода излучения.

Создание слоев растекания тока часто связано со значительными проблемами, особенно если материалы обладают низкой проводимо­стью. Например, из-за большого удельного сопротивления верхнего барьерного слоя p-типа растекание тока в верхнем слое p-типа в све­тодиоде InGaN/GaN будет очень слабым. Подвижность дырок в нит­ридах III группы обычно равна 1-20 см2/В, а их концентрация — ~ 1017 см-3, поэтому удельное сопротивление такого материала все­гда больше 1 Ом-см. В работе (Jeon et al., 2001) описан светодиод с туннельным переходом, расположенным над активной областью рядом с барьерным слоем p-типа. Слой n-типа сверху туннельного перехода обеспечивает поперечное распространение тока в области под верхним контактом. Таким образом, в состав светодиода с туннельным переходом входят два омических контакта n-типа и ни одного контакта р-типа.