Особенности излучательной рекомбинации в p-n-гетероструктурах InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами и светодиодах на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Бадгутдинов, Мансур Лябибович

• Бадгутдинов, Мансур Лябибович
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Бадгутдинов, Мансур Лябибович

1. Введение.

1.1. Актуальность темы.

1.2. Основные цели работы.

1.3. Научная новизна результатов, полученных в диссертации.

1.4. Основные положения, выносимые на защиту.:.

1.5. Научная и практическая ценность.

1.6. Достоверность результатов.

1.7. Апробация работы.

1.8. Публикации.

1.9. Структура и объем диссертации.

2. Литературный обзор.

2.1. Гетероструктуры AlGaN/InGaN/GaN с квантовыми ямами.

2.2. Технологии роста структур на основе GaN (MOCVD).

2.3. Механизмы излучательной рекомбинации в гетроструктурах.

2.4. Электроотражение гетероструктур с квантовыми ямами типа InGaN/AlGaN/GaN.

2.5. Конструкции светодиодов.

2.6. Белые светодиоды. Цветовые характеристики.

3. Излучательная рекомбинация в GaN- гетероструктурах и модель двумерной комбинированной плотности состояний.

3.1. Модель двумерной комбинированной плотности состояний с учетом флуктуаций потенциала.24 ^

3.2. Эффективная ширина запрещенной зоны. Флуктуации потенциала и хвосты плотности состояний. Температура.

4. Методика эксперимента.

4.1. Экспериментальные установки.

4.2. Зависимость спектров от температуры.

4.3. Зависимость спектров от угла наблюдения.

4.4. Экспериментальные методики, результаты которых использованы в диссертации.

4.5. Исследованные образцы.:.

5. Экспериментальные результаты.

5.1. Светодиоды на основе гетероструктур, выращенных на SiC-подложках.

5.2. Светодиоды на основе гетероструктур, выращенных на AI2O3 подложках.

5.3. Анализ экспериментальных результатов моделью двумерной комбинированной плотности состояний.

5.4. Спектры электроотражения гетероструктур с квантовыми ямами типа InGaN/AIGaN/GaN.

5.5. Цветовые характеристики белых светодиодов и светодиодных модулей.

6. Обсуждение результатов.

7. Выводы.

8. Литература.

1. Введение

1.1. Актуальность темы

Исследования и разработки светодиодов на основе гетероструктур нитрида галлия и его твердых растворов ведутся в последние годы интенсивными темпами [1,2]. Высокий интерес к светодиодам на основе GaN обусловлен, главным образом, перспективой их применения в качестве высокоэффективных, экологичных и долговечных источников освещения. В настоящее время синие светодиоды (СД) различных изготовителей достигли эффективности 63% [3], а светоотдача белых СД на их основе с люминофорным покрытием - 131 лм/Вт [4] и 150 лм/Вт [5], что превосходит эффективность не только ламп накаливания, но и люминесцентных ламп.

Однако эти рекордные значения эффективности достигнуты на приборах с кристаллами малых размеров (для увеличения вывода света), при малых яркостях (для минимизации потерь) или с низким качеством цветопередачи (повышенное содержание желтого и зеленого излучения, к которому глаз наиболее чувствителен) [6]. Кроме того, неизбежны потери при преобразовании синего излучения в белое с использованием люминофора - к примеру, светоотдача 150 лм/Вт, полученная с использованием синего светодиода с эффективностью 63%, соответствует конечной эффективности примерно в 40%. При этом, эффективность светодиода определяется произведением его внутреннего т]j и внешнего т]е квантового выхода. Величина г)х имеет максимум в зависимости от тока. Ее падение при больших токах определяется инжекцией неосновных носителей за пределы активной области с квантовыми ямами [7, 8], неоднородностью растекания тока вблизи контактов [9] и увеличением температуры диода. Внешний квантовый выход излучения rjt, зависит от оптической конструкции - геометрии кристалла и контактов, показателя преломления и формы фокусирующей линзы. Сегодня нам недоступно светодиодное освещение, которое будет одновременно недорогим, высокоэффективным и с высокой цветопередачей; эти ограничения препятствуют широкому распространению светодиодного освещения.

Современные мировые проблемы разработок светодиодов заключаются в одновременном увеличении мощности излучения единичного прибора, увеличении внутреннего и внешнего квантового выхода светодиода, увеличении тока при котором эффективность диода достигает максимума, увеличении эффективности люминофора и уменьшении стоимости готового прибора.

Разработки эффективных светодиодов активно и на высоком уровне ведутся в российских промышленных организациях (ЗАО "Светлана-Оптоэлектроника", НПЦ ОЭП"Оптэл", ЗАО "КаверЛайт" и др.). Так, материалы настоящей работы вошли в научно-технические отчеты по совместным договорам с фирмами ЗАО "Светлана-Оптоэлектроника" и "ACOL-Technologies", в работы по гранту Московского Комитета по Науке и Технологиям.

Актуальность темы обусловлена тем, что р-п-гетероструктуры InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами являются основой для разработок эффективных полупроводниковых светодиодов. Исследование особенностей механизмов рекомбинации в этих структурах позволяет найти пути повышения эффективности и мощности излучения светодиодов, представляющих большой интерес для различных практических применений, в частности, для общего освещения.

1.2. Основные цели работы

Важнейшей целью исследований гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами является научное обоснование разработок эффективных светодиодов в видимой области спектра как основы освещения будущего. В рамках этой общей проблемы в настоящей работе была поставлена цель определить особенности излучательной рекомбинации в р-n- гетероструктурах InGaN/AlGaN/GaN, а также спектральные и электрические характеристики светодиодов на их основе, созданных в различных технологических условиях и имевших различые конструкции.

Для достижения этой цели были поставлены следующие конкретные задачи:

1. Усовершенствовать и наладить экспериментальные установки для изучения спектров и эффективности светодиодов в видимой и ближней УФ области спектра, разработать программное обеспечение для автоматизации измерений и теоретической обработки спектров.

2. Охарактеризовать физические параметры гетероструктур, выращенных в разных технологических условиях, исходя из результатов исследований люминесцентных и электрических свойств светодиодов синего свечения в широком диапазоне токов.

3. Разработать модель количественного описания формы спектров электролюминесценции СД на основе нитрида галлия; учесть особенности вывода излучения из структуры, проанализировать выбор параметров для этого описания. Провести анализ спектров исследованных светодиодов с помощью этой модели.

4. Определить спектральные характеристики и эффективность диодов белого свечения, созданных на основе синих светодиодов, с люминофорными покрытиями. Исследовать цветовые характеристики светодиодов и светодиодных модулей и дать рекомендации об их возможных применениях для источников общего освещения.

1.3. Научная новизна результатов, полученных в диссертации

Модель двумерной комбинированной плотности состояний с учетом флуктуаций потенциала дополнена учетом изменения температуры активной области с током и интерференционной модуляции излучения в плоской геометрии кристаллов. Это позволило количественно описать спектры электролюминесценции многослойных р-п-гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами.

Установлено, что часть излучения (до 10% по интенсивности) синих светодиодов на основе р-п-гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами обусловлена рекомбинацией в широкозонных слоях структуры.

Показано, что полоса в спектрах электроотражения р-n- гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN соответствует эффективной ширине запрещенной зоны в активной области InGaN/GaN, определенной из спектров электролюминесценции светодиодов.

Показано, что анализ интерференционной структуры в спектрах электролюминесценции и электроотражения светодиодов позволяет определять толщину разных слоев выращенных структур.

Показано, что максимум коэффициента полезного действия светодиодов изменяется в пределах от 12 до 28% и коррелирует с легированием донорами в буферной сверхрешетке структуры, модулированным легированием барьеров, составом барьерного слоя, ограничивающего инжекцию электронов в р-область.

1.4. Основные положения, выносимые на защиту

1. Форма спектров электролюминесценции светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами описывается моделью излучательной рекомбинации в хвостах двумерной плотности состояний с учетом особенностей вывода излучения из структуры и температуры активной области.

2. Показано, что барьерный слой p-AlGaN в этих гетероструктурах существенно влияет на величину флуктуаций потенциала, определяющих длинноволновый спад спектров электролюминесценции светодиодов.

3. Исследования, проведенные в диссертации, показали, что вариации технологии изготовления светодиодных гетероструктур на основе GaN, выращенных на сапфировых подложках, (увеличение уровня легирования буферной сверхрешетки и модулированного легирования барьеров в активной области структуры, подбор толщины барьера p-AlGaN) позволяют достичь максимальной мощности излучения синих СД до 46 мВт при токе 100 мА, и максимального значения КПД - до 28% при токе J = 2 мА.

4. Полоса в спектрах электроотражения р-n- гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN вблизи 2.76 эВ соответствует эффективной ширине запрещенной зоны в активной области InGaN/GaN, определенной из спектров электролюминесценции светодиодов.

5. Спектры излучения синих СД на основе р-n- гетероструктур InGaN/AIGaN/GaN с множественными квантовыми ямами, выращенных на подложках из SiC, существенно не отличаются от спектров СД на основе структур на подложках из сапфира. Показано, что КПД исследованных СД на подложках SiC достигает значений г|р = 16-22% при токах 100-350 мА.

6. Координаты цветности белых светодиодов на основе гетероструктур, выращенных на подложках из SiC и имеющих светоотдачу до 40 лм/Вт, а световой поток - до 50 лм при токе 350 мА, соответствуют области белого свечения с индексами цветопередачи, достаточными для их применений в освещении.

7. Коррелированную цветовую температуру модуля с белыми и желтым светодиодами можно изменять в пределах от 3340 до 9920 К путем изменения тока через желтый светодиод. Аналитическое моделирование спектров трехцветных светодиодных модулей позволяет достигнуть координат цветности в заданных точках на цветовых диаграммах.

1.5. Научная и практическая ценность

Модернизирован спектральный измерительный комплекс, позволяющий исследовать люминесцентные и электрические свойства светодиодов на основе нитрида галлия в широком динамическом диапазоне токов возбуждения (от 10 до 2 А) и интенсивностей излучения (5 порядков) с высоким разрешением (до «0.1 А). Экспериментальные установки совместно с разработанным программным обеспечением теоретической обработки спектров позволяют проводить комплексный анализ люминесцентных и электрических свойств светодиодов. Установки были использованы и могут быть использованы в дальнейшем для контроля технологии создания светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами.

Результаты исследований позволили выявить особенности излучательной рекомбинации в светодиодных гетероструктурах на основе GaN с множественными квантовыми ямами. Показано, что основная полоса в спектре излучения синих светодиодов определяется механизмом излучательной рекомбинации в двумерных структурах с хвостами плотности состояний, обусловленными флуктуациями потенциала, с учетом нагрева и особенностей вывода излучения из структуры.

Результаты исследований позволяют оценить влияние технологии изготовления светодиодных гетероструктур на основе GaN на люминесцентные свойства светодиодов в видимой и ближней УФ области спектра и позволили сформулировать рекомендации технологическим группам по изготовлению гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами и светодиодов на их основе.

Результаты исследований цветовых характеристик различных светодиодных модулей продемонстрировали их возможности для решения различных задач целей освещения и индикации и отображения информации.

Это определило практическую ценность работы.

Результаты диссертации были использованы в Научно-техническом отчете по договору N 170/05-К от 20.08.2005 с Московским Комитетом по Науке и Технологиям (МКНТ ГА-159/05), в котором даны рекомендации по применению белых светодиодов в освещении и разработке среднесрочной целевой Программы г. Москвы «Энергосберегающее освещение на базе светодиодных технологий».

Результаты диссертации были использованы в Научно-техническом отчете по договору N 104/05-К от 23.05.2005 с ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника», в котором даны рекомендации по технологии выращивания р-n- гетероструктур для создания эффективных светодиодов синего и белого свечения.

1.6. Достоверность результатов

Достоверность результатов обеспечена комплексным характером исследований спектров люминесценции, электрических и структурных свойств светодиодов, подтверждением результатов экспериментальных измерений теоретическими расчетами.

1.7. Апробация работы

Результаты диссертационной работы доложены на 5 Российских и 4 Международных научных конференциях и обсуждались на семинарах кафедры физики полупроводников физического факультета МГУ:

1. МЛ.Бадгутдинов, Н.А.Гальчина, Е.В.Коробов, Л.М.Коган, Ф.А.Лукьянов, И.Т.Рассохин, Н.П.Сощин, А.Э.Юнович. Спектры, цветовые характеристики иетоотдача белыхетодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN, покрытых люминофорами. 4-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия:руктуры и приборы», С.-Петербург, 2005,Тезисы докладов, 140.

2. М.Л.Бадгутдинов, Н.А.Гальчина, Е.В.Коробов, Л.М.Коган, Ф.А.Лукьянов,

И.Т.Рассохин, Н.П.Сощин, А.Э.Юнович. Спектры и цветовые характеристики мощных светодиодов белогоечения на основе гетероструктурквантовыми ямами InGaN/AlGaN/GaN, покрытых люминофорами. 7-я Российская Конференция по физике полупроводников, Звенигород, 2005 г., тезисы докладов, 105.

3. М.Л.Бадгутдинов, С.С.Широков, Д.А.Николаев. Конструкция и физические характеристики светодиодов белого свечения на основе нитрида галлия. Тезисы докладов VII Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, С.-Петербург, 2005, стр. 98.

4. МЛ.Бадгутдинов, Л.П.Авакянц, П.Ю.Боков, А.В.Червяков, С.С.Широков, А.Э.Юнович, А.А.Богданов, Е.Д.Васильева, Д.А.Николаев, А.В.Феопентов. Спектры электроотражения гетероструктур с квантовыми ямами типа InGaN/AlGaN/GaN. Труды VIII международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». Ульяновск, 2006. стр.172.

5. МЛ.Бадгутдинов, С.С.Широков, А.Э.Юнович, А.А.Богданов, Е.Д.Васильева, Д.А.Николаев, А.В.Феопентов. Спектры люминесценции и эффективность синих и белых светодиодов на основе р-п-гетероструктур InGaN/GaN. Труды VIII международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Ульяновск, 2006. стр.200.

6. М.Л.Бадгутдинов, Д.В.Милютин. Исследования трехцветных светодиодов. Тезисы докладов научно-технической конференции «Молодые светотехники России». Москва, 2005, стр.23.

7. М.Л.Бадгутдинов, Д.В.Милютин, А.Э.Юнович, Э.М.Гутцайт. Измерения полноцветныхетодиодов. 12 Междун. Конф.уд. и асп. «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика», Москва, МЭИ, 2006, тез. докладов, том 1.209-210.

8. М.Л.Бадгутдинов, Ф.А.Лукьянов, А.Э.Юнович, Э.М.Гутцайт, Л.М.Коган.

Исследования цветовых параметров светодиодных модулей. VI Международный

Светотехнический Конгресс «Свет без границ». Тезисы докладов, Калининград, Светлогорск, 2006, 50-51.

9. A.E.Yunovich, L.P.Avakyants, M.L.Badgutdinov, P.Yu.Bokov, A.V.Chervyakov, S.S.Shirokov, E.D.Vasileva, A.V.Feopentov, F.M. Snegov, D.A.Bauman, and B.S.Yavich. Electroreflectance spectra of InGaN/AlGaN/GaN p-n-heterostructures. MRS Fall Meeting

2006, Boston, 2006, Abstr. 115.36.

10. М.Л.Бадгутдинов, А.Э.Юнович. Анализ спектров излучения светодиодов и определение параметров р-n- гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN. Восьмая всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. С.-Петербург, 2006, тез. докл., стр. 101.

11. МЛ.Бадгутдинов, С.С.Широков, А.Э.Юнович, М.Г.Агапов, Д.В.Давыдов, Д.А.Лавринович, Ф.М.Снегов. Анализ спектров излучения и эффективность синих светодиодов на основе р-п-гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN. 5-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы», Москва,

2007, тезисы докладов,89.

12. Л.П.Авакянц, М.Л.Бадгутдинов, П.Ю.Боков, А.В.Червяков, С.С.Широков, А.Э.Юнович. Электроотражение в р-п-гетероструюурахквантовыми ямами на основе InGaN/AlGaN/GaN. 5-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия:руктуры и приборы», Москва, 2007, Тезисы докладов, 105.

13. Бадгутдинов М.Л., Корнева Т.М., Милютин Д.В., Пасекова Л.М. (рук-ли: Юнович А.Э., Гутцайт Э.М.) Спектры светодиодов белого свечения с высокими индексами цветопередачи. Радиотехника, электроника и энергетика // Тринадцатая Междунар.науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тезисы докладов - М.: МЭИ, 2007. Т.1. С.171,172.

14. МЛ.Бадгугдинов, А.Э.Юнович. Спектры люминесценции и эффективностьнихетодиодов на основе р-n- гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN. Ломоносовские чтения,кция физики, Москва, 2007, Тезисы докладов,55.

1.8. Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4-х статьях в журналах [10,11,12,13] и в 14 тезисах докладов. Направлена и принята к печати 1 статья.

1.9. Структура и объем диссертации

Диссертация содержит 8 глав - введение, литературный обзор, теоретический обзор механизмов излучательной рекомбинации в квантовых ямах, методику экспериментов, описание экспериментальных результатов, обсуждение результатов, выводы, список литературы. Работа представлена на 110 страницах, включает в себя 51 рисунок и 7 таблиц.

2. Литературный обзор

2.1. Гетероструктуры AIGaN/lnGaN/GaN с квантовыми ямами

Поскольку поток излучательной рекомбинации в светодиодах пропорционален концентрации неосновных носителей, или обратно пропорционален объему, в котором идет рекомбинация при определенном значении тока [14], то область, в которой идет рекомбинация, желательно сделать тонкой. Но толщина этой области в гомогенном р-п-переходе не может быть меньше диффузионной длины, определяемой только излучательным временем жизни.

Прогресс в создании высокоэффективных (сверхъярких) светодиодов связан с использованием гетеропереходов и структур с квантовыми ямами. Использование гетеропереходов позволяет добиться направленной инжекции носителей в область диода, в которой происходит эффективная излучательная рекомбинация, а использование квантовых ям — локализовать носители заряда в тонком слое активной области, увеличив вероятность рекомбинации и, кроме того, свести до минимума поглощение излучения в полупроводниковой структуре, обеспечив тем самым высокий внешний квантовый выход светодиода.

На рис. 2.1 показаны энергетические диаграммы р-n- перехода и гетероструктуры. В гетероструктуре тонкий активный слой полупроводника с более узкой запрещенной зоной Egi (например, InGaN) расположен между двумя областями полупроводника с более широкой запрещенной зоной Eg2 (например, GaN).

HWMHHIMMMtMMMHftMMt ммтммпнмммпнмннт а) Гомопереход прп нулевом смещенпп b) Гомопереход при прямом смещенпп

Г— »Ьи~*i с) Гетеропереход при прямом смещенп

Рис. 2.1. Энергетическая диаграмма р-n- перехода при (а) нулевом и (Ь) прямом смещении, (с) Энергетическая диаграмма р-n- гетероперехода при прямом смещении. В гомогенном р-n- переходе носители, прежде чем рекомбинировать, диффундируют в среднем на длины диффузии и Zp. В гетеропереходе локализация носителей ограничена барьерами гетероперехода [1].

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности излучательной рекомбинации в p-n-гетероструктурах InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами и светодиодах на их основе»

1.1. Актуальность темы Исследования и разработки светодиодов на основе гетероструктур нитрида галлия иего твердых растворов ведутся в последние годы интенсивными темпами [1,2]. Высокийинтерес к светодиодам на основе GaN обусловлен, главным образом, перспективой ихприменения в качестве высокоэффективных, экологичных и долговечных источниковосвещения. В настоящее время синие светодиоды (СД) различных изготовителей достиглиэффективности 63% [3], а светоотдача белых СД на их основе с люминофорнымпокрытием- 131 лм/Вт [4] и 150 лм/Вт [5], что превосходит эффективность не тольколамп накаливания, но и люминесцентных ламп.Однако эти рекордные значения эффективности достигнуты на приборах скристаллами малых размеров (для увеличения вьшода света), при малых яркостях (дляминимизации потерь) шш с низким качеством цветопередачи (повьппенное содержаниежелтого и зеленого излучения, к которому глаз наиболее чувствителен) [6]. Кроме того,неизбежны потери при преобразовании синего излучения в белое с использованиемлюминофора- к примеру, светоотдача 150 лм/Вт, полученная с использованием синегосветодиода с эффективностью 63%, соответствует конечной эффективности примерно в40%. При этом, эффективность светодиода определяется произведением его внутреннегоrji и внешнего rje квантового выхода. Величина г}{ имеет максимум в зависимости от тока.Ее падение при больших токах определяется инжекцией неосновных носителей запределы активной области с квантовыми ямами [7, 8], неоднородностью растекания токавблизи контактов [9] и увеличением температуры диода. Внешний квантовый выходизлучения г}е, зависит от оптической конструкции - геометрии кристалла и контактов,показателя преломления и формы фокусирующей линзы. Сегодня нам недоступносветодиодное освещение, которое будет одновременно недорогим, высокоэффективным ис высокой цветопередачей; эти ограничения препятствуют широкому распространениюсветодиодного освещения.Современные мировые проблемы разработок светодиодов заключаются водновременном увеличении мощности излучения единичного прибора, увеличениивнутреннего и внешнего квантового выхода светодиода, увеличении тока при которомэффективность диода достигает максимума, увеличении эффективности люминофора иуменьшении стоимости готового прибора.Разработки эффективных светодиодов активно и на высоком уровне ведутся вроссийских промышленных организациях (ЗАО "Светлана-Оптоэлектроника", НПЦОЭП'Юптэл", ЗАО "КаверЛайт" и др.). Так, материалы настоящей работы вошли внаучно-технические отчеты по совместным договорам с фирмами ЗАО "СветланаОптоэлектроника" и "ACOL-Technologies", в работы по гранту Московского Комитета поНауке и Технологиям.Актуальность темы обусловлена тем, что р-п-гетероструктуры inGaN/AlGaN/GaN смножественньми квантовыми ямами являются основой для разработок эффективныхполупроводниковых светодиодов. Исследование особенностей механизмов рекомбинациив этих структурах позволяет найти пути повыщения эффективности и мощностиизлучения светодиодов, представляющих больщой интерес для различных практическихприменений, в частности, для общего освещения.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Бадгутдинов, Мансур Лябибович

7. Выводы

7.1. Усовершенствованные и налаженные экспериментальные установки для изучения спектров и эффективности светодиодов в видимой и ближней УФ области спектра, разработанное программное обеспечение для автоматизации измерений и теоретической обработки спектров позволяют проводить комплексный анализ люминесцентных и электрических свойств диодов. Они были использованы и могут быть использованы в дальнейшем для контроля технологии создания светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами.

7.2. Разработана модель количественного описания формы спектров электролюминесценции СД на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами, учитывающая особенности вывода излучения из структуры и температуру активной области. Проанализирован выбор параметров для этого описания и показана применимость такой модели к описанию спектров сложных гетероструктур.

7.3. Исследовано влияние вариаций технологии изготовления светодиодных гетероструктур на основе GaN, выращенных на сапфировых подложках на люминесцентные и электрические свойства светодиодов синего свечения. Показано, что наиболее благоприятно на эффективности СД сказывается увеличение уровня

1 О 1 легирования n-области до 3-10 см", а также подбор толщины барьера p-AlGaN. Максимальная мощность излучения синих СД достигла значения 46 мВт при токе 100 мА, а максимальное значение КПД - до 28% при токе J = 2 мА.

7.4. Спектры излучения синих СД на основе р-n- гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами, выращенных на подложках из SiC, существенно не отличаются от спектров СД на основе структур на подложках из сапфира. КПД исследованных СД достигает значений г|р = 16-22% при токах 100102

350 мА. Показано, что технология позволяет выращивать более тонкие слои GaN на подложках из карбида кремния по сравнению со структурами на подложках из сапфира.

7.5. Изучены спектры электроотражения р-n- гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN исследованных светодиодов. Показано соответствие полосы в спектрах электроотражения р-n- гетероструктур эффективной ширине запрещенной зоны в активной области, определенной из спектров электролюминесценции светодиодов.

7.6. Исследованы свойства белых светодиодов, полученных покрытием исследованных синих добавлением люминофоров на основе алюмоиттриевых гранатов. Максимальная светоотдача белых светодиодов на основе гетероструктур, выращенных на подложках из SiC, достигает 40 лм/Вт, а их световой поток - 50 лм при токе 350 мА. Показано, что белые светодиоды имеют координаты цветности в области белого свечения и индексы цветопередачи, достаточные для их применений в освещении.

7.7. Показано, что цветовая температура светодиодных модулей на основе светодиодов белого и желтого свечения может варьироваться в пределах от 3350 до 9900 К соответствующим изменением тока через них. Аналитическое моделирование спектров трехцветных светодиодных модулей позволяет получить координаты цветности в области белого цвета (х= 0,27-0,48; у= 0,21-0,37) на цветовых диаграммах МКО-1931.

В заключение автор глубоко благодарен своему научному руководителю профессору А.Э.Юновичу за предоставление актуальной и интересной темы исследований, чуткое и неизменно доброжелательное отношение и поддержку в работе и учебе. Автор благодарит своих коллег по работе: С.С.Широкова, А.В.Чуяса, П.В.Петухова, Ф.А.Лукьянова, В.В.Коробова и В.В.Татулина за помощь в экспериментах.

Особую благодарность автор выражает сотрудникам ЗАО "Светлана-Оптоэлектроника" Е.Д.Васильевой, Д.А.Николаеву, А.А.Богданову, А.В.Феопентову, Б.С.Явичу, М.Г.Агапову, Д.В.Давыдову и Ф.М.Снегову; сотрудникам НПЦ ОЭП "ОПТЭЛ" в лице Л.М.Когана, а также сотрудникам «ACOL Technologies» за предоставление образцов для исследований, плодотворное сотрудничество и обсуждение результатов работы. Автор благодарит профессора МЭИ Э.М.Гутцайта за плодотворное сотрудничество и обсуждение работы по исследованию цветовых характеристик светодиодов.

Автор благодарит сотрудников кафедры общей физики физического факультета МГУ асс. П.Ю.Бокова, проф. Л.П.Авакянца, и проф А.В.Червякова за проведение опытов по спектроскопии электроотражения светодиодных структур и обсуждение полученных результатов. Также автор благодарен сотруднику кафедры физической электроники П.В.Иванникову за исследование образцов методами растровой электронной микроскопии.

Автор благодарит весь коллектив кафедры физики полупроводников физического факультета МГУ за помощь в работе и учебе, за обсуждение результатов работы, ее конструктивную критику и поддержку.

Автор признателен А.Е.Ковалеву за помощь в автоматизации эксперимента.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Бадгутдинов, Мансур Лябибович, 2007 год

1. E.F.Schubert. Light Emitting Diodes. Second edition. - Cambridge University Press, 2006. (www.LightEmittingDiodes.org).

2. А.Э.Юнович. Светодиоды как основа освещения будущего // Светотехника. 2003. № 3. - С. 2-7.

3. Y.Narukawa, J.Narita, T.Sakamoto, K.Deguchi, T.Yamada and T.Mukai. Ultra-High Efficiency White Light Emitting Diodes // Japanese Journal of Applied Physics. 2006. V. 45, N41.-P. L1084-L1086.

4. Cree Demonstrates 131 Lumens per Watt White LED. Press Room of Cree, Inc. - 2006. ("http://www.cree.com/press/press detail.asp?i=l 150834953712)

5. Nichia achieved 1501m/W white LED development. Nichia Corporation. -2006. (http://www.nichia.co.ip/about nichia/2006/2006 122001.html)

6. C.Wetzel. Basic research needs for solid-state lighting. Report of the Basic Energy Sciences Workshop on Solid-State Lighting. U.S. Department of Energy, 2006. (http://www.sc.doe.gov/bes/reports/fiies/SSL rpt.pdf).

7. V.F.Mymrin, K.A.Bulashevich, N.I.PodoIskaya, I.A.Zhmakin, S.Yu.Karpov, Yu.N.Makarov. Modelling study of MQW LED operation // Phys. stat. sol. (c). 2005. V.2, N7. P. 2928-2931.

8. И.Ю.Евстратов, В.Ф.Мымрин, С.Ю.Карпов. Тез. докл. 4-й Всеросс. конф. «Нитриды галлия, индия и алюминия структуры и приборы». - СПб., 2005. - С. 122

9. И.В.Рожанский, Д.А.Закгейм. Тез. докл. 4-й Всеросс. конф. «Нитриды галлия, индия и алюминия структуры и приборы». - СПб., 2005. - С. 124.

10. МЛ.Бадгутдинов, Н.А.Гальчина, Л.М.Коган, И.Т.Рассохин Н.П.Сощин, А.Э.Юнович. Мощные светодиоды белого свечения для освещения // Светотехника. 2006. № 3. -С. 36-40.

11. А.И.Лебедев. Физика полупроводниковых приборов. М. 2005.

12. F.Bernardini, V.Fiorentini. Macrosopic polarization and band offsets at nitride heterojunctions // Physical Review B. -1998. Vol. 57, № 16. P.R9427-R9430.

13. T.Takeuchi, S.Sota, M.Katsuragawa, M.Komori, H.Takeuchi, H.Amano, I.Akasaki. Quantum-Confined Stark Effect due to Piezoelectric Fields in GalnN Strained Quantum Wells // Jpn.J.Appl.Phys. -1997. Vol. 36. P.L382-L385.

14. S.Chichibu, T.Deguchi, T.Sota, K.Wada, S.Nakamura. Localized exitons in InGaN. Mat.Res.Soc.Symp.Proc. Boston, 1998. Vol.482, pp.613-624.

15. S.Nakamura, G.Fasol. The Blue Laser Diode. Berlin: Springer, 1999. - 343p.

16. B.Gil. Group III Nitride Semiconductor Compounds: Physics and Applications. -Oxford: Clarendod Press, 1998. 459p.

17. И.А.Случинская. Основы материаловедения и технологии полупроводников. -М.:МИФИ, 2002.-380с.

18. В.Е.Кудряшов, А.Н.Туркин, А.Э.Юнович, А.Н.Ковалев, Ф.И.Маняхин. Люминесцентные и электрические свойства светодиодов InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами // ФТП. -1999. Т. 33, № 4. С. 445-450.

19. К.Г.Золина, В.Е.Кудряшов, А.Н.Туркин, А.Э.Юнович. Спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе многослойных гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами // ФТП. 1997. Т. 31, № 9. С. 1055-1061.

20. Yunovich А.Е., Kudryashov V.E. Energy Diagram and Recombination Mechanisms in Heterostructures InGaN/AlGaN/GaN with Quantum Wells // Phys. Stat. Solidi (b). 2001. V. 228, N1. P. 141-145.

21. И.Л.Крестников, А.В.Сахаров, В.В.Лундин, Ю.Г.Мусихин, А.П.Карташова,

22. A.С.Усиков, А.Ф.Цацульников, Н.Н.Леденцов, Ж.И.Алферов, И.П.Сошников, E.Hahn,

23. B.Neubauer, A.Rosenauer, D.Litvinov, D.Gerthsen, A.C.Plaut, A.Hoffmann, D.Bimberg.

24. Лазерная генерация в вертикальном направлении в структурах InGaN/GaN/AlGaN с квантовыми точками InGaN // ФТП. 2000. Т. 34, № 4. С.496-503.

25. Д.С.Сизов, В.С.Сизов, Е.Е.Заварин, В.ВЛундин, А.В.Фомин, А.Ф.Цацульников, Н.Н.Леденцов. Исследование статистики носителей в светодиодных структурах InGaN / GaN // ФТП. 2005. Т. 39, № 4. С.492.

26. П.С.Вергелес, Е.Б.Якимов, Н.М.Шмидт. Тезисы докладов 5-й Всероссийской Конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы». -М:МГУ, 2007.-С.113.

27. А.В.Андрианов, В.Ю.Некрасов, Н.М.Шмидт, Е.Е.Заварин, А.С.Усиков, Н.Н.Зиновьев, М.Н.Ткачук. Низкотемпературная время-разрешенная фотолюминесценция в квантовых ямах InGaN/GaN // ФТП. 2002. Т. 36, № 6. С. 679-684.

28. N. Gardner, С. Kocot, W. Goetz, М. Huerschen, С. Flory, D. Bour, Т. Takeuchi, S. Stockman, M. Misra, Yu.-C. Shen, M. Krames, R.S. Kern. 4th Int. Conf. on Nitride Semicond, Book of Abstract. Denver, 2001. - P.38, PM B6.1.

29. С.С.Мамакин, А.Э.Юнович, А.Б.Ваттана, Ф.И.Маняхин. Электрические свойства и спектры люминесценции светодиодов на основе гетеропереходов InGaN / GaN с модулированно-легированными квантовыми ямами // ФТП. 2003. Т. 37, №9. С.1131-1137.

30. A.Hangleiter, J.S.Im, H.Kollmer, S.Heppel, J.Off, F.Scholz. The role of piezoelectric fields in GaN-based quantum wells // MRS Internet J. Nitride Semicond. 1998. Res. 3, 15. (http://nsr.mii.mrs.0rg/3/15/)

31. K.A.Bulashevich, V.F.Mymrin, S.Yu.Karpov, I.A.Zhmakin, A.I.Zhmakin. Simulation of visible and ultra-violet group-Ill nitride light emitting diodes // J. Comput. Phys. 2006. 213, N1.- P. 214-238.

32. K.A.Bulashevich, I.Yu.Evstratov, V.F.Mymrin, and S.Yu.Karpov. Current spreading and thermal effects in blue LED dice // Phys. Stat. Solidi (c). 2007.4, N 1. - P. 45-48.

33. X.Guo and E.F.Schubert. Current crowding and optical saturation effect in GalnN/GaN light emitting diodes grown on insulating substrates // Appl. Phys. Lett. 2001. 78. P.3337.

34. Д.А.Закгейм, И.П.Смирнова, И.В.Рожанский, С.А.Гуревич, М.М.Кулагина, Е.М.Аракчеева, Г.А.Онушкин, А.Л.Закгейм, Е.Д.Васильева, Г.В.Иткинсон. Высокомощные синие флип~чип светодиоды на основе AlGalnN // ФТП. 2005. Т. 39, № 7. - С.885-889.

35. F.H.Pollak. SPIE proc. 2000. Vol. 3944. - P. 408.

36. Л.П. Авакянц, П.Ю. Боков, А.В. Червяков. Автоматизированная установка для регистрации спектров фотоотражения с использованием двойного монохроматора // ЖТФ. 2005. Т. 75, №10. - С. 66.

37. C.Wetzel, T.Takeuchi, H.Amano, I.Akasaki. Piezoelectric-Franz-Keldysh effect in strained GalnN/GaN heterostructures // Journal of Appl. Physics. -1999. 85(7). P.3786.

38. M.Motyka, R.Kudrawiec, G.Cywinski, M.Siekacz, C.Skierbiszewski, J.Misiewicz. Abstr. of XXXV Intern. School on the phys. of semicond. compounds «Jaszowiec 2006». Warsaw, Polish Acad. Sci. 2006. P.65.

39. M.Syperek, M.Motyka, R.Kudrawiec, J.Misiewicz, M.Rudzinski, P.R.Hageman, P.K.Larsen. Abstracts XXXV Int. School on Phys. Semicond. Compounds "Jaszowiec 2006".-Warsaw, 2006. P. 66.

40. A.Drabinska, K.Pakula, J.M.Baranowski, I.Frymark. Electroreflectance and photoreflectance studies of AlGaN/GaN heterostructure with a QW placed inside AlGaN layer // Phys. stat. sol. (a). 2005. V. 202(7). - P. 1308.

41. Петров В.И. Азбука освещения. M.: «ВИГМА», 1999.

42. МЛ.Бадгутдинов, Ф.А.Лукьянов, А.Э.Юнович, Э.М.Гутцайт, Л.М.Коган. VI Международный Светотехнический Конгресс «Свет без границ», тезисы докладов. -Калининград, Светлогорск, 2006. С.50-51.

43. Л.М. Коган, Н.А. Гальчина, И.Т. Рассохин, Н.П. Сощин, А.Э. Юнович. Мощные белые светодиоды и модули на их основе для целей освещения // Светотехника. -2007. № 2. С.26-28.

44. А.Э.Юнович. Свет из гетеропереходов // Природа. 2001. № 6. - С. 38-46.

45. Линейка продуктов компании Philips Lumileds Lighting. (http://www.lumileds.com/products/).

46. Калашников С.Г., Бонч-Бруевич В.Л. Физика полупроводников. М.: Наука, 1979.

47. F.Urbach. The long wavelength edge of photographic sensitivity and of the electronics of solids // Phys. Rev. 1953. V. 92. - P. 1324.

48. R.Chingolani, W.Stolz, K.Ploog. Electronic states and optical transitions in modulation-doped n-type GalnAs/AlInAs multiple quantum wells // Phys. Rev. (B). 1989. V. 40. -P.2950.

49. G.V.Saparin, S.K.Obyden. Color display of videoinformation in the SEM: principles and applications to physics, geology, soil sciences, biology and medicine // Scanning. 1988. V. 10, N.3.-P. 87-106.

50. S.K.Obyden, P.V.Ivannikov, G.V.Saparin. color cathodoluminescence display in the scanning electron microscope of deep relief surfaces // Scanning. 1997. V. 19, N 8. -P.533-540.

51. С.К.Обыден, П.В.Иванников, Г.В.Сапарин. Получение изображений рельефных объектов в растровом электронном микроскопе в режиме цветной катодолюминесценции // Известия АН, сер. физ. 1998. Т. 62, № 3. - С. 641-649.

52. S.K.Obyden, M.Philipp, G.V.Saparin, P.V.Ivannikov, S.V.Dronov, S.Y.Kirukhin. Approximation of CL-spectra by monochrome CL-images taken with the aid of narrowband optical filter set // Scanning. 2000. V. 22, N 2. - P.l 07.

53. S.K.Obyden, G.V.Saparin, P.V.Ivannikov, S.Yu.Kirukhin. Real and Artificial Color Compisite contrast in the scanning electron microscope: Algebra of the images // Scanning. -1999. V.21. -P.162-163.

54. М.Г.Варешкин, Н.А.Гальчина, Л.М.Коган, И.Т.Рассохин, Н.П.Сощин, А.Э.Юнович. Спектры излучения мощных светодиодов белого свечения и осветители на их основе // Светотехника. 2005. № 1. - С. 15-18.

55. Решение о выдаче патента на полезную модель по заявке №2004130704/22(033926) от 25.10.2004. «Мощный светодиод». Авторы: Коган JI.M., Рассохин И.Т., Гальчина Н.А.

56. Патент на изобретение №2207663 от 17.07.2001. «Светодиод». Авторы: Гальчина Н.А., Коган Л.М.

57. Сайт ООО «НПЦ ОЭП «ОПТЭЛ» http://www.ootelcenter.com.

58. В.Е.Кудряшов, С.С.Мамакин, А.Н.Туркин, А.Э.Юнович, А.Н.Ковалев, Ф.И.Маняхин. Спектры и квантовый выход излучения светодиодов с квантовыми ямами на основе гетероструктур из GaN зависимость от тока и напряжения // ФТП. - 2001. Т.35, № 7. -С. 861-868.

59. Ф.И.Маняхин, А.Н.Ковалев, В.Е.Кудряшов, А.Н.Туркин, А.Э.Юнович. Люминесценция р-п-гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN при ударной ионизации // ФТП. 1998. Т. 32, № 1. - С. 63.

60. A.Zukauskas, M.Shur, R.Gaska. Introduction to Solid-State Lighting. NY.: J.Wiley & Sons, 2002.-207 pp.

61. Ф.А.Лукьянов, В.В.Татулин. Ill Всероссийская Конференция "Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы", тезисы докладов. М.: МГУ, 2004. - С. 170.

62. Н.И.Бочкарева, E.A.Zhirnov, А.А.Ефремов, Ю.Т.Ребане, Р.И.Горбунов, Ю.Г.Шретер. Туннельно-рекомбинационные токи и эффективность электролюминесценции InGaN/GaN светодиодов // ФТП. 2005. Т. 39, № 5. - С. 627.

63. D.E.Aspnes. Third-derivative modulation spectroscopy with low field electroreflectance // Surf. Science. 1973. V. 37. - P. 418.

64. M. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М.: Наука, 1970. - 856 с.

65. Ю.Г.Шретер, Ю.Т.Ребане, В.А.Зыков, В.Г.Сидоров. Широкозонные полупроводники. СПб.: Наука, 2001. - 125с.70. http://www.lumileds.com/pdfs/TP40 IESNA Julv%202004 LED Paper.pdf

66. Mueller-Mach R., Mueller G.O. White light emitling diodes for illumination // Agilent Technologies, Agilent Laboratories, Communications and Optics Research Laboratory, Palo Alio, CA 94304, USA, 2005. P.2-13.

67. A.Hangleiter, J.S.Im, H.Kollmer, O.Gfrorer, J.Off, F.Scholz. Piezoelectric Field Effect on Optical Properties of GaN/GalnN/AlGaN Quantum Wells // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 1999.4S1, G6.20 (http://nsr.mii.mrs.org/4Sl/G6.20/).