Одной из главных задач при проектировании диода является увеличение квантового выхода прибора - отношения вышедшей мощности излучения к мощности затраченной, иными словами, количества фотонов, которые успешно вышли из полупроводника, к числу электронов, перешедших из валентной в зону проводимости. Существует внешний и внутренний квантовый выход. Внутренний учитывает потери на рассеяние, спонтанное излучение, поглощение, определяется совершенством активной области (однородность по толщине, плотность дефектов). Внешний учитывает отражение от грани кристалла, расходимость излучения, т.е. допустимые углы, падая под которыми на грань излучение не испытает полного внутреннего отражения и не вернется обратно в материал и т.п., а также все аспекты внутреннего квантового выхода. Квантовый выход диода, выходная мощность, срок службы зависят от количества дислокаций, дефектов в кристалле активного элемента.
Дислокация в кристаллах - это дефекты кристаллической решетки, искажающие правильное расположение кристаллографических плоскостей (рисунок 1). Особенностью дислокаций является значительное нарушение регулярного чередования атомов сосредоточенное в малой окрестности некоторой линии, пронизывающей кристалл. Простейшим видом дислокации являются краевая и винтовая. Если одна из атомных плоскостей обрывается внутри кристалла, возникает краевая дислокация. Винтовую дислокацию можно представить как результат сдвига на период решетки одной части кристалла относительно другой вдоль некоторой полуплоскости, параллельной ее краю, играющему роль оси дислокации. Рассмотрены краевые дислокации (появляющиеся вследствие разного периода кристаллических решеток используемых материалов), влияющие на итоговую реализацию диода. Вокруг дислокации существует область, в которой кристалл деформирован, поэтому закон дисперсии в такой области отличается от такого в идеальном кристалле. Это приводит к рассеянию носителей заряда. При рассеянии носителей заряда на дислокациях время релаксации не зависит от температуры кристалла, а определяется плотностью дислокаций на единицу поверхности и скоростью рассеиваемых электронов.
В данной работе [1] нитрид алюминиевые подложки (AIN) используются для получения на них слоя AlxGa1-xN с малым количеством дислокаций, гладкой поверхностью и высокой электропроводностью для производства диодов УФ диапазона на длинах волн 240-260 нм. Обычно AlxGa1-xN выращивается на AIN-слое, выращенном в свою очередь на сапфировой подложке, при этом плотность дислокаций в слое AIN составляет более 1010 см-2. Для уменьшения количества дислокаций образец AIN выраживали методом эпитаксии (эпитаксия буквально - "осаждение по одному атому"). Удалось уменьшить плотность дислокаций лишь на два порядка до 108 см-2. AIN-слой обладает меньшим периодом решетки и меньшим коэффициентом теплового расширения по сравнению с активной областью диода - слоем AlxGa1-xN. Наблюдается несоответствие параметров кристаллических решеток AIN и AlxGa1-xN. Теоретически увеличение толщины слоя AlxGa1-xN должно увеличить плотность дислокаций в образце за счет появления "лишних" обрывающихся плоскостей кристаллической решетки - краевых дислокаций. Однако на практике все иначе. Можно вырастить слои AlxGa1-xN до толщины 0.5-1.0 мкм при концентрации алюминия х=0.6 или 0.7. Таким образом, слой AlxGa1-xN обладает хорошей электропроводностью и малой плотностью дислокаций. AlxGa1-xN наносится методом металлорганического CVD-процесса. На ТЕМ-изображениях подтверждается низкая плотность дислокаций в активной области. Вследствие расхождения параметров решетки активного слоя и слоя p-GaN на рисунке можно увидеть дефекты в вышеупомянутом слое.
Изготовленный образец LED подвергается спектральным исследованиям при различных величинах пропущенных токов. На рисунке 3 показан спектр, обладающий тенденцией к расширению с увеличением тока (13.9 нм при 20 мА до 14.9 нм при 300 мА). На рисунке 4 показаны зависимости внешнего квантового выхода, выходной мощности и ВАХ (приложенного прямого напряжения от величины тока). На рисунке 5 сравниваются непрерывный и импульсный режимы работы диода. Представлены графики зависимостей внешнего квантового выхода и выходной мощности от тока накачки.
Для повышения мощности излучения необходимо увеличивать прямой ток. Однако при протекании тока в кристалле выделяется тепловая мощность, связанная как с выделением джоулева тепла, так и поглощением в кристалле значительной доли генерируемого излучения. Кроме того, возможная неоднородность плотности электрического тока приводит к снижению эффективности работы диода. Как видно из полученных результатов, в непрерывном режиме работы наблюдается резкий спад внешней квантовой эффективности, что в первую очередь связывается с повышением температуры и преобладанием спонтанных переходов, инициированных тепловым излучением в образце (критичная температура примерно 57 С). А вот в импульсном режиме внешний квантовый выход уменьшается медленно по сравнению с непрерывным режимом работы.
Успех проведенного исследования [1] связывается с использованием материалов с низкой плотностью дислокаций, полученной в результате эпитаксиального роста структуры, подбором толщины активного слоя, что способствует повышению квантового выхода прибора.
Исследования выполнены по гранту Advanced Technology Project (ATP) при поддержке National Institute of Science and Technology (NIST) и Department of Energy (DOE).
[1] Properties of Mid-Ultraviolet Light Emitting Diodes Fabricated from Pseudomorphic Layers on Bulk Aluminum Nitride Substrates. James R. Grandusky, Shawn R. Gibb, Mark C. Mendrick and Leo J. Schowalter. Applied Physics Express 3 (2010) 072103. DOI: 10.1143/APEX.3.072103.
