Современные светодиоды

Влияние ограничения тока в светодиодах на изолирующих подложках

Для светодиодных мезаструктур, выращенных на диэлектрических подложках, характерно явление ограничения тока. Примерами свето­диодов с мезаструктурами являются светодиоды InGaN/GaN на сап­фировых подложках. В них контакт р-типа обычно размещается на верхней поверхности мезаструктуры, а контакт n-типа — на буферном слое n-типа, расположенном под мезаструктурой. Это приводит к тому, что по краю мезаструктуры, на границе с контактом n-типа, плотность тока становится выше, чем в соседних областях.

б

Влияние ограничения тока в светодиодах на изолирующих подложках

а I—р-контакт

изолирующая ^

подложка х=0 направление х

Рис. 8.8. Влияние ограничения тока в GaN светодиоде с мезаструктурой, выра­щенном на диэлектрической подложке (а) и эквивалентная схема, состоящая из сопротивлений барьерных слоев п - и p-типа, сопротивления контакта р-типа и идеальных диодов, соответствующих р-п-переходам (б)

Влияние ограничения тока в светодиодах на изолирующих подложках

сопротивление - контакта и слоя р-типа

Влияние ограничения тока в светодиодах на изолирующих подложках

^ г ^ падение - - j напряжения = Vj

Влияние ограничения тока в светодиодах на изолирующих подложках

J.

На рис. 8.8, а представлено поперечное сечение мезаструктуры све­тодиода, выращенной на диэлектрической подложке. Интуитивно мож­но предположить, что ограничение тока через р-п-переход происходит по краю мезаструктуры, что и изображено. На рис. 8.8, б показана эквивалентная схема модели, учитывающей сопротивление контакта р-типа и сопротивления барьерных слоев п - и р-типа. В приведенной схеме р-п-переходы заменены на идеальные диоды. В модели показаны несколько узлов, расположенных на расстоянии dx друг от друга. Пусть V — напряжение в слое n-типа вдоль направления х, тогда dV — падение напряжения на сопротивлении n-слоя длиной dx. Величина тока, идущего вниз через один из диодов, определяется выражени­ем dl = Jo ■ [exp (eVj/kT) — 1] • w dx, где Jo — плотность тока насыще­ния через р-п-переход.

Считая, что электростатические потенциалы всех точек металличе­ского контакта p-типа равны, и применяя правило Кирхгофа для двух соседних узлов, получаем

Влияние ограничения тока в светодиодах на изолирующих подложках

(8.11)

Когда сопротивление слоя p-типа близко к нулю, dV = dVj. В этом случае можно найти аналитическое решение уравнения (8.11). В работе Томпсона (Thompson, 1980) приведены расчеты длины растекания тока в диодах, выращенных на проводящих подложках. Томпсон в своих рассуждениях учитывал удельное сопротивление верхнего барьерного слоя p-типа, но пренебрегал удельным сопротивлением нижнего ба­рьерного слоя n-типа. Однако в светодиодах InGaN/GaN сопротивле­ние слоя n-типа служит одной из причин влияния ограничения тока, поэтому его нельзя не учитывать. Сопротивлениями слоев p-типа пре­небрегать также нельзя, поскольку в таких светодиодах они довольно большие. Дальше будет показано, что сопротивления слоев обоих ти­пов оказывают сильное влияние на ограничение тока.

В последующих расчетах учитываются сопротивления слоев п - и р-типа и контакта р-типа. Падение напряжения на р-п-переходе и резисторах р-типа можно найти из выражения

V = Rv ■ Iq ■ [ехр (eVj/kT) — 1] + V}, (8.12)

где Ry (сопротивление в вертикальном направлении) определяется суммой сопротивлений слоя р-типа и контакта р-типа элемента площа­ди wdx:

Rv = pp. JlL-+pc.-L-. (8.13)

И wax w ах

^ • {рс + РР ■ tp) ■ Jo • ехр •

Здесь рр и рс — удельные сопротивления слоя и контакта р-типа. Два­жды дифференцируя выражение (8.12)'по х и подставляя результат в соотношение (8.11), получаем следующее дифференциальное уравне­ние:

dx2 ' kT dx

(814)

dx

При его решении ограничимся случаем прямого смещения диода, в ко­тором напряжение на р-п-переходе намного превышает величину кТ/е. Тогда

Vj > кТ/e => ехр (eVj/кТ) » 1. (8.15)

Далее предположим, что падение напряжения на последовательном сопротивлении р-типа и сопротивлении контакта также гораздо больше кТ/е, т. е.

(Рс + Рр • tp) ■ J0 ■ ехр (8.16)

Применяя эти условия к типичным светодиодам InGaN/GaN, упростим уравнение (8.14), используя допущения (8.15) и (8.16):

d Vj і е / dVj __________________ рп кТ /g yj

dx2 кТ V dx ) (рс + рр ■ tp) tn е

Решив уравнение (8.17) относительно Vj, получим Vj(x) = Vj(0)— — (kT/e)(x/Ls). Подставив Vj в выражение J = Jo ехр (eVj/кТ), най­дем решение дифференциального уравнения:

J(x) = J(0)-exp(—x/Ls), (8.18)

где J(0) — плотность тока на краю слоя р-типа, Ls — длина расте­кания тока, которая определяет расстояние, на котором плотность

тока уменьшается в е раз по сравнению с плотностью тока на краю

Влияние ограничения тока в светодиодах на изолирующих подложках

слоя, т. е. J(Ls)/J(0) = 1/е. Длину растекания тока можно найти из выражения

(8.19)

Из уравнения (8.19) следует, что распределение тока зависит от тол­щины эпитаксиального слоя и от свойств материала. Для уменьшения влияния ограничения тока буферный слой n-типа должен обладать низким удельным сопротивлением и достаточно большой толщиной. Из уравнения (8.19) можно сделать удивительный вывод: уменьшение удельного сопротивления контакта p-типа или слоя p-типа усилива­ет влияние ограничения тока. При низких значениях сопротивлений контакта и барьерного слоя p-типа наблюдается сильное влияние огра­ничения тока. Этому может помешать только высокая проводимость буферного слоя n-типа, приводящая к большой величине коэффициента tn/pn. В светодиодах InGaN/GaN сумма сопротивлений контакта и слоя p-типа может быть больше сопротивления барьерного слоя, осо­бенно если tn мало.

На рис. 8.9 представлены экспериментальные данные, полученные при изучении эффекта сжатия тока в светодиодах InGaN/GaN, выра­щенных на сапфировых подложках (Guo, Schubert, 2001). На рис. 8.9, а приведен микроснимок оптического излучения светодиода InGaN. Он сделан со стороны сапфировой подложки, на которой отчетливо видно изменение интенсивности голубого свечения светодиода: чем дальше от края мезаструктуры, тем слабее свечение. На рис. 8.9, б изображены теоретическая и экспериментальная зависимости интенсивности излу­чения от расстояния до края мезаструктуры. Для построения теоре­тической зависимости использованно выражение (8.18), согласованное с экспериментальными данными. Видно, что при длине растекания тока 550 мкм получается хорошее согласование экспериментальных и теоретических результатов.

Сопротивления контактов и удельные сопротивления слоев GaN p-типа в мощных светодиодах не должны быть высокими, поскольку это может привести к сильному нагреву диодов. С другой сторо­ны, именно эти сопротивления ослабляют влияние ограничения тока. Следует отметить, что при разработке новых светодиодов с большей площадью, имеющих большие размеры контактов, даже при условии улучшения характеристик материалов без усовершенствования формы контактов проблемы, связанные с влиянием ограничения тока, могут встать очень остро. Так, новые контакты к p-области могут иметь форму гребенки с шириной зубьев меньше длины растекания тока Ls. При размерах светодиодов меньше Ls влиянием ограничения тока можно пренебречь.

На рис. 8.10 показана схема структуры и фотография полоскового контакта гребенчатой формы. Однородность инжекции тока в активную область достигается при помощи контакта p-типа, ширина которого Wp-contact. меньше длины растекания тока. Для обеспечения низкого

Влияние ограничения тока в светодиодах на изолирующих подложках

Рис. 8.9. Микроснимок излучения светодиода на основе мезаструктуры In­GaN/GaN, выращенного на изолирующей сапфировой подложке (а), светодиод оснащен полосковым контактом p-типа размером 800 мкм х 100 мкм (а); теоретическая и экспериментальная зависимости интенсивности излучения от расстояния от края мезаструктуры (б) (Guo, Schubert, 2001)

контактного сопротивления ширина контакта n-типа, Wn. COntact> должна быть, по крайней мере, равна длине передачи контакта, которая следует из модели линии передачи, используемой для определения омических контактов (Schroder, 1998).

Влияние ограничения тока в светодиодах на изолирующих подложках

Рис. 8.10. Структура полоскового контакта в форме гребенки, обеспечиваю­щего однородность тока (а); вид сверху (б); фотография светодиода InGaN, монтируемого методом перевернутого кристалла (в) (LED Museum, 2004)

^^^^^р-контакт р-тип

Влияние ограничения тока в светодиодах на изолирующих подложках

ДШ' .

Рис. 8.11. Структура светодиода с поперечной инжекцией носителей тока и схема распределения тока при рп <С рр (а); эквивалентная схема (б)

Современные светодиоды

Выбираем светодиодную фитолампу без ошибок

Ключевым моментом для правильного развития растений остается наличие достаточного количества света. Без него останавливается главный биологический процесс — фотосинтез. Это преобразование энергии света в углерод и воду с участием атмосферного …

Какие бывают уличные светодиодные светильники

Светодиодное освещение считается самыми комфортным, практичным и перспективным. Все благодаря преимуществам, открывающимся перед его пользователями. Приборы на светодиодах долговечны, расходуют мало электроэнергии, легко и быстро устанавливаются, отличаются небольшим весом. Это …

Почему выбор светодиодных ламп является хорошей идеей?

Люди всё чаще предпочитают led фонари, также называемые светодиодными. Это закономерно, благодаря наличию нескольких преимуществ перед привычными лампами накаливания. Они достаточно отличаются от традиционного освещения, так как led лампочки используются …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.