IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

На сегодняшний день развитие полупроводниковых оптоэлектронных устройств на основе гетероструктур нитрида галлия и его твёрдых растворов идёт очень высокими темпами. Достигнутый уровень энергоэффективности светоизлучающих диодов (СД), а также широкий спектр оттенков белого цвета (Т = 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.

Целью данной работы является исследование спектральных характеристик светоизлучающих диодов и выявление зависимостей интенсивности излучения от энергии испускаемого фотона при различных параметрах диода.

Модель спектра люминесценции светоизлучающих диодов позволяет исследовать спектры люминесценции различных гетероструктур и учесть зависимость спектральных характеристик от температуры, ширины запрещенной зоны. Для расчетов имеем следующее устойчивое выражение расчета интенсивности излучения[1,2,3]:

, (1)

где Е_ф – энергия Ферми

Е_g^eff– эффективная ширина запрещенной зоны.

Данное выражение позволяет учесть зависимость интенсивности от многих параметров, что дает возможность нахождения требуемой ширины запрещенной зоны для создания определенных спектральных характеристик. Расчеты проводились для гетероструктуры InGaN/AlGaN/GaN. Описание структуры: на сапфировой подложке и буферном слое GaN (≈ 300 A˚ ) методом гидридной эпитаксии выращен слой n-GaN:Si (t = 5мкм). На нем находится активный тонкий (d ≈ 20 ч 30 A˚ ) слой In_xGa_1-xN. Длина волны в максимуме спектра может изменяться от голубой до зеленой области, если состав x активного слоя изменяется в пределах 0.2−0.43; она зависит и от толщины слоя. Затем следует широкозонный слой p-Al_0.1Ga_0.9 N:Mg (≈1000 A˚ ) — барьер для электронов, необходимый для инжекции дырок и согласования решетки активного слоя с верхним контактным слоем p-GaN:Mg (≈ 0.5мкм).

При выращивании p-Al_0.1Ga_0.9N : Mg предотвращает испарение активного слоя во время роста сравнительно толстого верхнего слоя. На p-GaN:Mg нанесен металлический контакт Ni–Au. Металлический контакт Ti–Al к слою n-GaN создан после стравливания части структуры. Площадь кристалла с p−n-гетеропереходом S = 350350 мкм².

На рис.1.1 представлен график зависимости интенсивности I от энергии E для структуры InGaN/AlGaN/GaN с активным слоем In_xGa_1-xN (х=0,20) при различных значениях феноменологического параметра m. Данный феноменологический параметр был взят в двух значениях: m = 0,7 и m=0,5. При расчетах использовались следующие параметры:

Дж – эффективная ширина запрещённой зоны;

Дж – параметр экспоненты;

Дж – ширина запрещённой зоны в активном слое;

Дж – квазиуровень Ферми для электронов;

Дж – квазиуровень Ферми для дырок (U=2,9 В);

Дж – квазиуровень Ферми для дырок (U=2,8 В).

Рис.1.1График зависимости интенсивности I от энергии E при различных значениях феноменологического параметра m. Сплошная кривая:m =0,7; точечная кривая: m=0,5

Из рис.1.1 видно, что при значении m=0,7 (кривая красного цвета) максимум энергии приходится равным E=2,725эВ, тогда как при m = 0,5 (кривая-пунктир синего цвета) указывает, что максимум энергии при этом параметре приходится на E = 2,793 эВ. Максимум интенсивности приходится на голубую область спектра (рис.1.2).

Рис. 1.2 График зависимости интенсивности I от длины волны λ при напряжении U=2,8 В и различных значениях абсолютных температур. Сплошная кривая:T=225K, точечная кривая: Т=245 K, штрих-кривая: T=278К

На рис. 1.3 представлена зависимость интенсивности излучения от длины волны λ для разных температур T гетероструктуры. При этом видно, что самый узкий максимум излучения приходится при температуре T=77 К на длине волны м.

Рис. 1.3 График зависимости интенсивности I от длины волны λ при напряжении U=2,8 В и различных значениях абсолютных температур. Сплошная кривая:T=77 K, точечная кривая: Т=300K, штрих-кривая: T=400К

На рис.1.4 представлена зависимость интенсивности излучения от энергии излученного фотона при различных значениях абсолютных температур T гетероструктуры. Для расчетов использовались следующие значения температур: T=225 К, T=245 К, T=278 К, T=300 К, напряжение U=2,8 В, m= 0,7.

Рис. 1.4 График зависимости интенсивности I от энергии излученного фотона Е при напряжении U=2,8 В и различных значениях абсолютных температур.Сплошная кривая: Т=225 К, точечная кривая: Т=245 K,штрих-кривая: T=278 K, кривая штрихпунктир: T=300 K

Из рис. 1.4 видно, что при увеличении температуры максимум излучения сдвигается в область меньших энергий излученного фотона, то есть в сторону более длинных волн. На рис.1.5 представлена зависимость интенсивности излучения от энергии излученного фотона для разных температур при прикладываемом напряжении U=2,9 В. Из сравнения рисунков 1.4 и 1.5 видно, что при напряжении U=2,9 В спектральные характеристики имеют более широкий максимум, чем при напряжении U=2,8 В. При этом самым широким максимумом обладает спектр излучения при температуре 77 К, что соответствует температуре жидкого азота. Таким образом, для получения монохроматического излучения рассматриваемую гетероструктуру необходимо поддерживать при комнатных и более высоких температурах.

Рис. 1.5 График зависимости интенсивности I от энергии E при напряжении U=2,9 В и различных значениях абсолютных температур. Сплошная кривая: Т=77 К, точечная кривая: Т=300 K, кривая штрихпунктир: T=400 K

Рис. 1.6 График зависимости интенсивности I от энергии E при напряжении U=2,9 В и различных значениях абсолютных температур. Сплошная кривая: Т=225 К, точечная кривая: Т=245K,штрих-кривая: T=278K, кривая штрихпунктир: T=300 К

На рис. 1.6 изображен график зависимости интенсивности I от энергии Е при прикладываемом напряжении U=2,9 В. Из рисунка видно, что при температуре T=225 К виден максимальный пик энергии, равный 2,7 эВ.

Выводы:

Рассмотрены спектральные характеристики многослойной гетероструктуры InGaN/AlGaN/GaN. Рассмотрена модель спектра люминесценции светоизлучающего диода на основе многослойных гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN, учитывающая зависимости интенсивности излучения от энергии излучаемого фотона, изменения максимума интенсивности в зависимости от длины волны при изменении различных параметров, такие как эффективная ширина запрещенной зоны, температура, параметр m и.т.д. Длина волны в максимуме спектра InGaN может изменяться от голубой до зелёной области, если состав x активного слоя изменяется в пределах 0,2 – 0,43; она зависит и от толщины слоя.

Рассмотрена зависимость интенсивности излучения от энергии испускаемого фотона при различных параметрах m, U, T, ,,. Результаты расчетов показывают, что в зависимости от температуры и прикладываемого напряжения максимум интенсивности приходится на голубую область спектра. Получено, что при увеличении температуры максимум излучения сдвигается в область меньших энергий излученного фотона, то есть в сторону более длинных волн. Показано, что при напряжении U=2,9 В спектральные характеристики имеют более широкий максимум, чем при U=2,8 В. При этом самым широким максимумом обладает спектр излучения при температуре 77 К, что соответствует температуре жидкого азота. Таким образом, для получения монохроматического излучения рассматриваемую гетероструктуру необходимо поддерживать при комнатных и более высоких температурах.

Литература

1. Золина, К.Г., Кудряшов, В.Е., Туркин, А.Н., Юнович, А.Э. Спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе многослойных гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами [Текст] / К.Г. Золина, В.Е. Кудряшов, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович // Физика и техника полупроводников. –1997.– №9. – Т. 31. – С. 1055-1061.

2. Варданян, Б.Р., Юнович, А.Э. Фотолюминесценция легированных множественных квантовых ям GaAs/AlGaAs при высоком уровне возбуждения [Текст] / Б.Р. Варданян, А.Э. Юнович // Физика и техника полупроводников. –1995.– № 29. – C. 1976-1987.

3. Cingolani R., Stolz W., Ploog K. Electronic states and optical transitions in modulation-doped n-type GaInAs/AlInAs multiple quantum wells [Текст] / R.Cingolani, W.Stolz, K.Ploog // Phys.Rev. – 1989. – № 40. – P. 2950-2955.

Код для цитирования: Скопировать