Полупроводниковые структуры на основе нитридов элементов III группы (GaN, AlN, InN, а также соединения типа AlGaN и InGaN) являются перспективными оптоэлектронными материалами с широким спектром практических применений: активные среды лазерных диодов, транзисторы, голубые, зелёные и белые (люминофорные) светодиоды (СД) и др.
О светодиодах на основе GaN гетероструктур
На сегодня развитие полупроводниковых оптоэлектронных устройств на основе гетероструктур нитрида галлия и его твёрдых растворов идёт очень высокими темпами. Рекордсменами здесь являются разработки полупроводниковых ИС на основе данных гетероструктур – указанных выше СД.
Темпы роста показателей этих СД – просто фантастические, и опережают все оценки начала 2000 гг. В 2005 г. был достигнут уровень световой отдачи 47 лм/Вт при средней цене 0,15 $/лм, а уже в 2007 г. – 110 лм/Вт при средней цене 0,03 $/лм. (Самые смелые оценки не предполагали подобных темпов роста, и достижение таких значений не предсказывалось даже к 2010 г.).
Достигнутый уровень энергоэффективности СД, а также широкий спектр оттенков белого цвета (Тц = 2600-10 000 К), позволяют использовать их во всех традиционных областях применения, таких как световая сигнализация, внутреннее, наружное и архитектурное освещение. А такие свойства СД как большой срок службы, высокая стабильность светотехнических характеристик и низкое энергопотребление делают их исключительно перспективными для решения актуальной проблемы энергосбережения.
Актуальность темы исследования деградации GaN гетероструктур
Важной особенностью СД служит то, что они через 50-100 тыс. ч не выходят из строя, в отличие от традиционных ламп. Наблюдается лишь монотонное снижение их светового потока во времени. При этом вопрос оценки этого снижения, т. е. деградации СД, приобретает в таком случае особую актуальность.
Стоит подчеркнуть, что в последние годы многие исследовательские группы серьёзно занялись вопросами деградации светодиодных гетероструктур на основе GaN и его твёрдых растворов. Об этом свидетельствует целый ряд докладов, посвящённых данной проблеме, представленный на 6-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы».
Вообще, вопрос надёжности приборов – важнейший для оптоэлектроники. И одно из основных мест в нём занимает деградация излучающих структур и их предельные характеристики. Отдельно для белых СД важен вопрос деградации слоя люминофора, т. е. компаунда «гель-люминофор» и системы «кристалл-компаунд». Это и определяет необходимость трёх следующих направлений работ:
1. Определение предельных характеристик приборов.
2. Изучение деградации светодиодных структур.
3. Изучение деградации люминофора в белых СД.
Определение предельных характеристик СД на основе широкозонных полупроводников типа нитрида галлия и механизмов деградации полупроводниковых структур предполагает проведение следующих исследований:
– изучение механизмов и закономерностей процессов деградации полупроводниковых гетероструктур на основе нитрида галлия при протекании постоянного тока и в импульсном режиме;
– изучение деградации СД на основе InGaN гетероструктур при повышенных токах в стационарном и импульсном режимах;
– изучение деградации СД на основе InGaN гетероструктур при повышенных температурах;
– исследование процессов деградации полупроводниковых гетероструктур при температурах, близких к критической рабочей температуре p-n-перехода.
Цель этих работ состоит в нахождении механизмов и закономерностей процессов деградации полупроводниковых гетероструктур на основе нитрида галлия в стационарном и импульсном режимах.
Исследования, результаты которых приводятся и обсуждаются в настоящей статье, проводились на кристаллах на основе InGaN/GaN гетеростуктур с квантовыми ямами при работе в стационарном режиме и повышенных значениях окружающей температуры и плотности тока.
История работ по деградации гетероструктур на основе GaN
Вопросам деградации полупроводниковых светодиодных структур на основе нитрида галлия в России стали уделять внимание практически сразу после появления сверхъярких СД на их основе (во второй половине 1990-х гг.) Одними из первых были совместные работы исследователей из МГУ им. М.В. Ломоносова и МИСиС. Ими были исследованы изменения спектров люминесценции и электрических свойств СД на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN в процессе длительной работы, предложены модели, объясняющие две стадии старения этих структур. Также было предположено, что причиной жёлтой полосы в спектрах люминесценции нитрида галлия могут являться дивакансии азота и что с этим связано, в частности, увеличение относительной интенсивности этой полосы при длительной наработке в зелёных СД на основе нитрида галлия.
С развитием разработок и исследований СД в нашей стране проблемой их деградации занялись и другие группы исследователей. В 2006 г. исследователи из ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН и СПбГТУ опубликовали результаты изучения распределения электролюминесценции по площади (кристалла) и во времени до и после определённой деградации голубых InGaN/GaN СД. А в 2007 г. исследователи из ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН совместно с разработчиками ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника» и исследователями из Института проблем технологии и микроэлектроники РАН сообщили результаты изучения закономерности деградации голубых СД на основе InGaN/GaN.
Однако модели, описывающей деградацию СД на основе InGaN/GaN гетероструктур, на сегодня не существует.
Результаты собственных исследований
В собственных исследованиях мы использовали выборки голубых и зелёных кристаллов на основе InGaN/GaN гетероструктур с квантовыми ямами. Габариты кристаллов составляли 300х300 мкм. Для каждой выборки отбирались кристаллы из одной части исходной пластины. Кристаллы имели примерно одинаковый поток излучения, одинаковое прямое напряжение при прямом токе 20 мА и одинаковый обратный ток (менее 1 мкА) при обратном напряжении 5 В. Такой выбор образцов исключал влияние на результат таких факторов, как обратный ток и различные значения прямого напряжения. (Очевидно, при различии указанных параметров образцов кристаллов деградация СД с ними будет различна. Поэтому в нашем случае образцы подбирались примерно с одинаковыми параметрами.)
Исследования проводились при повышенных окружающей температуре, 55°C, и плотности тока, 90А/см2.
Первые измерения были сделаны после 100 ч наработки СД и повторялись после 300, 500 и 1000 ч.
Результаты измерений приведены на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость нормированного среднего относительного потока излучения голубых (1) и зелёных (2) светодиодных кристаллов на основе InGaN/GaN гетероструктур с квантовыми ямами (Ф) от времени их наработки (t) за период 1 000 ч при окружающей температуре 55°C и плотности тока 90А/см2
Для голубых кристаллов до 500 ч наработки наблюдался рост среднего потока излучения (усреднение примерно по 30 кристаллам): примерно на 12% за первые 100 ч и примерно на 28% к 500 ч наработки, а за период от 500 до 1000 ч произошёл небольшой спад этой величины: до 25% выше первоначального значения. Для зелёных кристаллов изменения потока излучения в течение первых 500 ч наработки практически не наблюдалось, а в период с 500 до 1000 ч произошёл спад этой величины примерно на 4%.
Во многом аналогичные результаты компании Cree для голубых кристаллов (300х300 мкм) на основе InGaN/GaN-гетероструктур, выращенных методом газофазной эпитаксии на подложках из SiC, приведены на рис. 2. Исследования проводились при ещё более повышенной, чем у нас, окружающей температуре, 85°C, но гораздо меньшей плотности тока, 35 А/см2.
Рис. 2. Зависимость среднего относительного потока излучения голубых светодиодных кристаллов С460 ХВ900 компании Cree, на основе InGaN/GaN гетероструктур с квантовыми ямами (Ф) от времени их наработки (t) за период около 30 000 ч при окружающей температуре 85°C и плотности тока 35 А/см2
Из рис. 2 следует, что за первые 100 ч наработки средний поток излучения (усреднение не менее чем по 30 кристаллам) не меняется. За период от 100 до 500 ч наработки эта величина возрастает с начальных 100 до 103%. Затем начинается её спад, продолжающийся до 10 000 ч с последующей стабилизации на уровне 97%.
Обсуждение результатов
Сделаем экстраполяционную оценку уровня деградации (УД) зелёных InGaN гетероструктур через 10 000 ч наработки, для чего воспользуемся экспоненциальным законом деградации:
где Ф (t) – значение потока излучения кристалла через t часов наработки; Фmax – максимальное значение потока излучения кристалла (при t = tmax ≈ 500 ч); t ≥ tmax; α – коэффициент деградации.
Далее, из рис. 1 и формулы (1) следует, что при t = 1000 ч α ≈ 3,05х10–5 ч–1. Считая α неизменным при t от 1000 до 10 000 ч, по формуле
находим, что при t = 10 000 ч УД ≈ 25,2%.
Для голубых кристаллов на основе InGaN гетероструктур аналогичная экстраполяционная оценка УД при t = 10 000 ч, также по рис. 1 и формулам (1) и (2), приблизительно составляет 17%.
Принимая во внимание «ужесточённые» условия испытаний – повышенные плотность тока, окружающая температура и, соответственно, температура p-n-перехода гетероструктуры, равная приблизительно 123°C вместо 83°C (как при обычных условиях испытаний), можно предположить, что полученные значения УД при t = 10 000 ч примерно равны значениям УД при 50 000 ч при окружающей температуре 25°C (комнатной). Основания для такого предположения следующие: 120°C является критической температурой p-n-перехода в нашем случае, и при температурах выше неё процесс деградации быстро возрастает и может стать необратимым. При работе в таких условиях деградация кристалла происходит очень быстро.
Применительно к данным компании Cree по рис. 2 аналогичная оценка для показателя α при t = 1000 ч составляет 2,03х10–6 ч–1, а для УД при t = 50 000 ч (!), считая α неизменным при t от 1000 до 50 000 ч, – примерно 10%.
Повышение интенсивности электролюминесценции голубых кристаллов в первый период наработки (до 500-600 ч) наблюдалось и в предыдущих исследованиях, где это явление объяснялось активацией акцепторов Mg в p-слое GaN гетероструктуры при разрушении под действием инжекции носителей остаточных комплексов Mg-H, образующихся в процессе эпитаксиального роста гетероструктуры. Наблюдаемое большее увеличение потока излучения электролюминесценции при повышенной плотности тока может свидетельствовать, таким образом, о более эффективном процессе активации акцепторов при увеличении плотности тока в гетероструктуре. Следующее за этим снижение потока излучения электролюминесценции кристалла в течение последующего периода времени наработки объяснялось ранее, например, образованием донорных дефектов, компенсирующих акцепторы и увеличивающих безызлучательную рекомбинацию и интенсивность жёлтой полосы дефектов.
Аналогичные процессы, только выраженные в меньшей степени и за больший период времени, наблюдались ранее и для зелёных кристаллов на основе InGaN/GaN гетероструктур. Это согласуется с результатами, полученными в данной статье.
Согласно вышесказанному, значения УД при высокой плотности тока, превосходят значения УД при низкой плотности тока. Это объяснимо с учётом результатов работы, согласно которым в процессе деградации на гетерограницах образуется диполь, связанный с неоднородностью инжекции, влияние которого повышается при превышении плотности тока через гетероструктуру. Это свидетельствует о том, что основной причиной деградации гетероструктур является повышенная плотность тока, а не окружающая температура. Данный факт может объясняться тем, что неоднородности инжекции по площади гетерограницы приводят к локальным изменениям, в частности к сильному локальному нагреву и образованию дефектов, являющихся центрами безызлучательной рекомбинации.
В связи с этим следует отметить, что показатель α в формулах (1) и (2), строго говоря, зависит от плотности тока. Однако проявление этой зависимости, как следует из вышесказанного, сводится к локальному изменению температуры, т. е. в некотором приближении можно свести данную зависимость к температурной.
Стоит ещё раз подчеркнуть, что наши исследования, описанные в статье, проводились уже на готовых СД, причём их кристаллы (голубые или зелёные) были подвергнуты операции разварки контактов и, стало быть, в деградации потока излучения, участвуют процессы, происходящие в кристалле уже после разварки контактов.
Заключение
Полученные результаты по деградации светодиодных кристаллов на основе полупроводниковых InGaN\GaN гетероструктур при повышенных значениях плотности тока и окружающей температуры в течение 1000 ч соответствуют результатам, полученным для данных гетероструктур в предыдущих работах, и находят в них объяснение. Экстраполяционные оценки уровня деградации голубых и зелёных кристаллов при их наработке в 10 000 ч при повышенных значениях плотности тока и окружающей температуры показывают, что именно увеличение плотности тока более существенно влияет на деградацию кристаллов на основе InGaN/GaN гетероструктур, так как приводит к неравномерному распределению температуры в гетероструктуре и, как следствие, локальному перегреву её активной области. Этот факт необходимо учитывать как при разработке СД, так и при проектировании светодиодных устройств, для определения оптимального режима их работы. Однако выбор теплового режима тоже играет важную роль, поскольку влияние окружающей температуры также сказывается, хоть и в меньшей степени, на деградации оптических параметров светодиодных устройств.
.gif)
.gif)
.gif){kind=small}
.gif){kind=small}
