НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БАТАРЕИ СВЕТОДИОДОВ НА

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН
2011, том 54, №4
ФИЗИКА
УДК 621. 315. 592
Член-корреспондент АН Республики Таджикистан И.Исмаилов
НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БАТАРЕИ СВЕТОДИОДОВ НА ОСНОВЕ
ДВОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР nGa1-z Alz PxAs1-х/nGaPx As1-x /pGa1-yAlyPxAs1-x
Физико-технический институт им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан
Методом жидкофазной эпитаксии были выращены двойные гетероструктуры на основе
многокомпонентных твердых растворов AlGaPAs на подложках GaPAs-n типа. На основе этих гетероструктур были созданы батареи светодиодов по 15 диодов в батарее. Площадь диода ~1мм 2.
Длина волны в максимуме спонтанного излучения ~810 нм, квантовая эффективность излучения
светодиода η~4%. Батареи светодиодов предназначены для оптической накачки ионных кристаллов
легированных неодимом.
Ключевые слова: жидкостная эпитаксия – инжекционный лазер – светодиод – гетеропереход.
Многокомпонентные твердые растворы на основе полупроводниковых соединений представляют теоретический интерес и имеют большое практическое значение для создания высокоэффективных инжекционных источников спонтанного и когерентного излучения в широком диапазоне
длин волн [1]. Использование четырехкомпонентных твердых растворов (GaAl)(PAs), в которых возможно получение «идеальных» гетеропереходов в подрешетке, позволяет существенно улучшить
характеристики инжекционных лазеров и светодиодов.
Параметры решетки AlAs и GaAs полностью согласуются только при характерных температурах выращивания (~900°C), а при охлаждении до комнатной температуры вследствие большой разности коэффициентов теплового расширения бинарных соединений на гетерогранице появляются
упругие напряжения (`10-3). В двойных гетероструктурах эти напряжения можно минимизировать
путем уменьшения разности параметров состава между активной областью и соседними слоями, ограничивающими носители, в которых концентрация Al выше. Кроме того, рассогласование постоянных решетки можно существенно уменьшить (до нуля) путем добавления подходящего количества P
к тройному твердому раствору GaAlAs. Оказывается, это приводит к дополнительному уменьшению
пороговой плотности тока в лазерах – явлению, которое до сих пор полностью не объяснено. Тем не
менее то, что рассогласование постоянных решетки, и, следовательно, плотность дефектов на границе
можно тщательно контролировать путем изменения концентрации Р в четверных твердых растворах,
оказывается важным экспериментальным фактом. Впервые о получении гетеропереходов в системе
(GaAl)(PAs) и о создании на их основе гетеролазеров, работающих на длине волны 845 нм при 300 К,
сообщалось в работах [2, 3].
Использование полупроводниковых источников излучения для оптической накачки диэлектрических лазеров имеет ряд преимуществ. Малые размеры и простота конструкции диодов дают
Адрес для корреспонденции: Исмаилов Исроилжан. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни,
299/1, Физико-технический институт АН РТ. E-mail:[email protected]
303
Доклады Академии наук Республики Таджикистан
2011, том 54, №4
возможность непосредственно передавать излучение накачки в кристалл лазера без применения оптических систем. При этом будут существенно уменьшены габариты таких комбинированных диэлектрических лазеров. Если учесть высокую эффективность полупроводниковых источников изучения в сравнительно узком интервале длин волн, то следует ожидать существенное повышение коэффициента преобразования входной энергии излучения в выходную и увеличение полной эффективности в несколько раз по сравнению с обычными диэлектрическими лазерами. Для подобных комбинированных лазеров необходимы, с одной стороны, ионы активатора, пригодные для оптической накачки (двухвалентные и трехвалентные ионы редких земель, ионы переходных металлов и актинидов), а
с другой стороны, рекомбинационные центры, излучение которых может быть использовано для накачки.
Рис. 1. Спектр поглощения в кристалле пентофосфата неодима (NdP5O14). Толщина образца – 0.4 мм.
На рис.1 приведен спектр поглощения кристаллов пентофосфата неодима (ПФН) при 300 К, в
котором имеются три сравнительно широкие полосы поглощения с максимумами на длине волны
~750, ~810 и ~ 870 нм с коэффициентом поглощения, достигающим 56 см-1. В спектрах поглощения
толстых образцов ПФН хорошо выявляются структуры поглощения вблизи 1060 нм. В частности, на
этой длине волны коэффициент поглощения равен ~10 см-1. Спектры поглощения кристаллов ПФН
при 77 и 300 К существенно не отличались.
Область сильного поглощения ионов неодима в кристаллах ПФН лежит между 750 и 870 нм, а
рекомбинационное излучение происходит на длине волны 1060 нм [1].
Для накачки кристаллов ПФН были созданы батареи светодиодов по 15 диодов на медном
кристаллодержателе длиной 40 мм, которые располагаются вдоль стержня твердотельного лазера.
Восемь батарей светодиодов, расположенных вокруг стержня, образуют внутреннюю полость, в которую помещается лазерный кристалл для накачки. Однако кристаллов ПФН необходимого размера
не было получено. Поэтому твердотельный лазер на ПФН при накачке излучением батареей свето304
Физика
И.Исмаилов
диодов в разработанной конструкции не был создан. Данная работа посвящена созданию и исследованию светодиодов на основе двусторонней гетероструктуры (ДГС) типа nGa1-zAlz Px As1-x /nGaPx As1x/pGa1-yAlyPxAs1-x
в диапазоне составов х =0.08 - 0.1;0.2 и 0.3. Количество алюминия z в четверном
твердом растворе обеспечивало наличие потенциального барьера в 0.12 - 0.15эВ. В исследованных
ДГС эпитаксиальные слои nGa1-zAlzPxAs1-x и pGa1-yAlyPxAs1-x различного состава были выращены на
горизонтальной установке жидкостной эпитаксии на подложках nGaPxAs1-x из раствора-расплава галлия, насыщенного GaP, GaAs, Al. Процесс выращивания проводился в атмосфере водорода, очищенного диффузией через палладиевые фильтры. Состав расплава подбирался с учетом согласования
постоянных решеток подложки с наращиваемым эпитаксиальным слоем. Толщина активной области
nGaPxAs1-x (с x~ 0.08) равна ~ 0.3 мкм. Согласно данным работы [3], при температуре роста 950°С
весовой состав расплава должен подбираться в соотношении Ga:GaAs:GaP как 1: 0.075: 0.012. Подложки GaPxAs1-x, выращенные в Государственном институте редких металлов (ГИРЕДМЕТ) из газовой фазы по плоскости (111), были легированы теллуром и имели концентрацию примесей
(2-4) 1018 см-3 .
Выращенные эпитаксиальные слои были монокристалличны с зеркально-гладкой поверхностью. Граница подложки и эпитаксиальной пленки, выявленная дополнительным травлением на сколах, представляет собой совершенно ровную линию.
Для выявления влияния длительности отжига на характеристики гетеродиодов на основе односторонней гетероструктуры (ОГС) nGaPxAs1-x/ pGa1yAlyPxAs1-x
с составом x~0.2 подвергались дополни-
тельной температурной обработке при 850°C в запаянной кварцевой ампуле при избыточном давлении
паров мышьяка.
Методика получения омических контактов к
р-n-областям диодов, изготовление и методика измерений подобны описанным в [4].
В процессе роста эпитаксиальной пленки
(GaAl) (PAs) p-типа возможна диффузия акцепторной
примеси цинка в подложку. Для выяснения существования р-слоя, смещенного относительно гетерограницы, в одном случае изготавливался диффузионный рn переход в материале подложки. Сравнение спектров
спонтанного излучения гетеродиодов и диффузионных диодов (рис.2) показало, что спектральная полоРис. 2. Нормированные спектры электролюминесценции диффузионного диода на основе
GaP0.2As0.8 (1) и гетеродиода на основе структуры
nGaPxAs1-x / pGa1-yAlyPxAs1- х ( х ~ 0.2) (2). Плотность тока ~50А/см2, T=77 К.
са излучения гетеродиода уже и его максимум смещен
в сторону больших энергий приблизительно на величину энергии ионизации цинка в GaPxAs1-x. Отсюда
следует, что в выращенных ОГС излучательная рекомбинация происходит в n-области перехода и гете-
305
Доклады Академии наук Республики Таджикистан
2011, том 54, №4
рограница совпадает с p-n переходом. В спектре фотолюминесценции подложек GaPxAs1-x наблюдались интенсивные длинноволновые полосы излучения с максимумом 820 и 710 нм, а также слабая основная полоса с максимумом 690 нм для состава
х=0.3 (по шихте) при 300 К. Природа рекомбинационных центров, ответственных за длинноволновые
полосы, не установлена. В спектрах электролюминесценции гетеродиодов, выращенных на этой эпитаксиальной пластинке, длинноволновые полосы не
были обнаружены. В спектре излучения гетеродиодов при 300 К и плотностях тока j>9500 А/см2 , помимо основного максимума с ħωр=1.82 эВ, наблюдается слабая коротковолновая полоса с ħωр=1.94 эВ.
Наличие этого максимума, по-видимому, связано с
рекомбинационным
Рис. 3. Ватт-амперная характеристика светодиода на основе ДГС nAlz Ga1-z Px As1-x/nGaPx
As1-x/pAlyGa1-yPxAs1-x без пластмассового купола. Квантовая эффективность излучения светодиода η~4%. Площадь диода 1 мм2 . Длина волны в максимуме полосы спонтанного излучения
светодиода равна ≈810 нм при 300 К.
излучением
широкозонной
p-области. Отсюда высоту барьера на границе nGaPxAsl-x
и pGa1-yAlyPxAs1-x можно оценить величиной
0.12 эВ.
Вольтамперная характеристика диодов при
77 и 300 К при малых плотностях тока (до 10-20
А/см2) описывается как exp (eUp- n/2kT), а при боль-
ших плотностях тока как exp (eUр-п/кТ). На первом участке протекающий через диод ток обусловлен
рекомбинацией электронно-дырочных пар в области пространственного заряда, а на втором участке
преобладает рекомбинация в объеме полупроводника [5].
При 77 К спектр излучения гетеродиодов состоит из одной полосы в широком интервале
плотностей тока. Эта полоса сильно сужается при плотностях тока около 2 -3кА/см2 и возникает генерация когерентного излучения.
Поступило 13.01.2011 г.
Л И Т Е РАТ У РА
1.
2.
3.
4.
5.
Исмаилов И. – АН РТ, 1989, т.32, №9, с.596-598.
Исмаилов И., Шохуджаев Н. и др. – Квантовая электроника, 1977, т. 4, №8, с.1821.
Burnham R. D., Holonyak N. et all. – Appl. Phys. Letts, 1971, №19, p. 25.
Исмаилов И., Садиев А., Шохуджаев Н. – Квантовая электроника, 1974, т.1, № 8, c.1875- 1877.
Алферов Ж.И., Андреев В.М. и др. – Труды IX межд. конф. по физике полупроводников (М.,
1968), т.1, с.534. – Л.: Наука,1969.
306
Физика
И.Исмаилов
И.Исмаилов
БАЪЗЕ ТАФСИФХОИ БАТАРЕЯИ ДИОДЊОИ НУРАФШОНИ
ДАР АСОСИ ГЕТЕРОСТРУКТУРАИ ДУКАБАТИИ
nGa1-z Alz Px As1-x /nGaPx As1-x /pGa1-y Aly Px As1-x
Институти физикаю техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илмњои Љумњурии Тољикистон
Натиљањои таљрибањои сабзоиши гетероструктураи дукабата дар асоси чорќисма љисми
мањлулњои сахт GaAlPAs бо минтаќаи фаъол аз GaPAs барои лазерњои инжексионї ва диодњои
нурафшонии барои нурњои инфрасурх ва нурњои биної оварда шудаст. Батареяњо иборат аз 15
диод, ки лањим шудаги ба кристалл дорандаи мисин сохта шудааст. Босамарии берунии квантии диодњои нуравшонї 4% дорад. Дарозии мављи нурњои спонтанї 810 нм. Батареяи диодњои
нуравшонї барои барангезиши оптики кристалњои ионии легиранди шудагии ба неодим
муќаррар шудааст.
Калимањои калидї: эпитаксияи моеот – лазери инжексионї – диоди нурафшон – гетерогузориш.
I.Ismailov
SOME CHARACTERISTICS OF THE BATTERY LIGHT EMITTED DIOD (LED)
ON THE BASIS OF DOUBLE HETEROSTRUCTURE
nGa1-z Alz PxAs1-х/nGaPx As1-x /pGa1-yAlyPxAs1-x
S.U.Umarov Physical-Technical Institute, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan
The results of experiments on growth double heterostructure on a basis four component of firm solutions GaAlPAs by active area from GaPAs for injection lasers and LED radiating in infra-red and seen area
of a spectrum are given. The batteries LED, consisting from 15 diodes soldered to copper of crystal holder
are made. External quantum efficiency LED ~4 of %. Length of a wave in a maximum of spontaneous radiation 810 nm. The batteries of LED are intended for optical exiting, ionized of crystals legand by neodim.
Key words: liquid epitaxy – injection laser – light emiting diod – heterosnructure.
307