Анотація до роботи:

Зіновчук Андрій Васильович. Вплив ефекту концентрування струму на поведінку електронно-діркової плазми в багатошарових світловипромінюючих структурах – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07. – фізика твердого тіла. – Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2008.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню ефекту концентрування струму в багатошарових світловипромінюючих діодах видимої (InGaN/GaN), ближньої (AlGaAs/GaAs) та середньої (InAsSbP/InAsSb) інфрачервоних областей. Шляхом локальних вимірювань температури показано, що наслідком ефекту концентрування струму є наявність значних неоднорідностей розігріву в світлодіодах на основі InGaN/GaN квантових ям (=460-470 нм). Сумарний вплив електричних і теплових ефектів призводить до виникнення “теплових пасток” – малих ділянок (діаметром 20 мкм) підвищеної температури в середині активної області приладів градієнт температури в яких досягає 10⁴ С/см.

Експериментально виявлена і теоретично обґрунтована залежність ефекту концентрування струму від ширини забороненої зони активної області (довжини хвилі електролюмінесценції) планарних світлодіодів середньої інфрачервоної області (=3-5 мкм) на основі InAsSbP/InAsSb подвійних гетероструктур. При однаковому рівні інжекції в більш довгохвильових світлодіодах спостерігається більш неоднорідний розподіл електролюмінесценції в порівнянні з короткохвильовими. Крім того, зростання впливу безвипромінювальної рекомбінації призводить і до більшої температури розігріву довгохвильових світлодіодів.

Не дивлячись на існуючі недоліки інфрачервоних світлодіодів в роботі показано, що вони успішно можуть бути використані в приладах імітації динамічних інфрачервоних сцен. Такі переваги світлодіодів як швидкодія (частота модуляції >20 кГц), широкий діапазон ефективних температур, багатоспектральна імітація (в декількох вузьких підзонах середньої інфрачервоної області) і можливість симуляції “холодних” сцен в режимі негативної люмінесценції, роблять їх конкурентоспроможними поряд з тепловими випромінювачами і лазерами.

На прикладі AlGaAs/GaAs фліп-чіп мезаструктур (=0.87-0.88 мкм) вивчений вплив ефекту концентрування струму на локальні розподіли температури розігріву в світлодіодах з 98 % внутрішнім квантовим виходом. Показано, що не дивлячись на високий внутрішній квантовий вихід і вигідну з точки зору розтікання струму двосторонню мезаструктуру, поряд з значним розігрівом (T=50 C) в AlGaAs/GaAs світлодіодах присутній також і значно неоднорідний розподіл температури активної області (градієнт температури >950 С/см), який є відповідальним за передчасну деградацію приладів. Теоретично передбачено існування двох типів ефекту концентрування в мезаструктурах: контактний ефект концентрування струму, що спостерігається безпосередньо біля поверхні металічного контакту і ефект концентрування в активній області світлодіода.

1. Проведений на основі розробленої нелінійної моделі чисельний розрахунок протікання струму в багатошарових структурах показав, що ефект концентрування визначається лише електропровідностями та товщинами шарів (в тому числі і p-n переходу), а також геометрією контактних областей світлодіода.

2. Локальний розігрів активної області світловипромінюючих структур, який виникає внаслідок ефекту концентрування струму, призводить до їх динамічної (насичення інтегральної потужності електролюмінесценції) і статичної (локальний пробій) деградації.

3. Вимірювання температури розігріву світлодіодів видимої області на основі InGaN/GaN показали наявність в активній області значних температурних градієнтів ~10⁴ С/см. Градієнт температури в середині багатошарової випромінюючої структури з різними коефіцієнтами теплового розширення шарів, генерує пластичні механічні напруги в p-n переході і провокує катастрофічну деградацію приладу. Сумісна дія електричних (концентрування струму) і термічних (концентрування тепла) ефектів призводить до подавлення випромінювальної рекомбінації.

4. Порівняння просторових розподілів електролюмінесценції і температури показує, що сильний локальний розігрів відбувається в тих ділянках, де переважно відбувається рекомбінація інжектованих в активну область носіїв. Таким чином ефект концентрування не тільки обмежує область ефективного випромінювання, а і призводить до зменшення локального квантового виходу в ділянках підвищеної концентрації інжектованих носіїв.

5. При низьких рівнях інжекції вплив ефекту концентрування незначний, тоді як при великих він призводить до обмеження площі випромінюючої області світлодіодів на рівні кількох процентів. Ця немонотонність пояснюється нелінійними електричними властивостями p-n переходу.

6. Зменшення ширини забороненої зони активної області світлодіодів (збільшення довжини хвилі максимуму електролюмінесценції) призводить до зростання впливу ефекту концентрування струму, що відповідним чином відображається на просторових розподілах потужності електролюмінесценції.

7. Зважаючи на такі переваги ІЧ світлодіодів як швидкодія, високі ефективні температури, можливість імітації як позитивного так і негативного контрасту, вони можуть бути використані в приладах динамічної імітації ІЧ сцен.

8. Дослідження світлодіодів на основі AlGaAs/GaAs гетероструктур показує, що не дивлячись на високий внутрішній квантовий вихід і вигідну з точки зору розтікання струму двосторонню мезаструктуру, поряд з значним розігрівом (~50 C) в них присутній також і значно неоднорідний розподіл температури активної області (~950 С/см), який є відповідальним за передчасну деградацію приладів.

9. Передбачено існування двох типів ефекту концентрування: контактний ефект концентрування струму, що спостерігається безпосередньо біля поверхні металічного контакту (слабо залежить від величини загального струму), і ефект концентрування в активній області, який призводить до експериментально досліджуваних просторових неоднорідностей електролюмінесценції.

10. Проведені дослідження демонструють можливість суттєвого підвищення енергетичної ефективності багатошарових світловипромінюючих діодів шляхом модифікації геометрії контактних областей, оптимального вибору рівня легування і товщини світлодіодних шарів, а також ефективної конструкції радіатора.

Публікації автора:

1. Malyutenko V.K., Zinovchuk A.V., Malyutenko O.Yu. Band gap dependence of current crowding effect in 3-5 m InAsSb/InAs planar light emitting devices. // Semicond. Sci. Technol.-2008.-v.23.-p.085004.

2. Zinovchuk A.V., Malyutenko O.Yu., Malyutenko V.K., Podoltsev A.D., Vilisov A.A. The effect of current crowding on the heat and light pattern in high-power AlGaAs light emitting diodes. // J. of Appl. Phys.-2008.-v.104.-p.033115.

3. Malyutenko V.K., Malyutenko O.Yu., Zinovchuk A.V. Room-temperature InAsSbP/InAs light emitting diodes by liquid phase epitaxy for midinfrared (3-5 m) dynamic scene projection. // Appl. Phys. Lett.-2006.-v.89.-p.201114.

4. Malyutenko V.K., Zinovchuk A.V. Mid-infrared LEDs versus thermal emitters in IR dynamic scene simulation device. // Proc. SPIE.-2006.-v.6368.-p.63680D.

5. Malyutenko V.K., Malyutenko O.Yu., Zinovchuk A.V., Zakheim A.L., Zakheim D.A., Smirnova I.P., Gurevich S.A. Remote temperature mapping of high-power InGaN/GaN MQW flip-chip design LEDs. // Proc. SPIE. -2005.-v.5941.-p.59411K.

6. Malyutenko V., Malyutenko O., Zinovchuk A., Zotova N., Karandashev S., Matveev B., Remennyi M., Stus N. InAs(Sb) LEDs and negative luminescent devices for dynamic scene simulation in the first atmospheric window (3-5 m). // Тези доповідей. Sixth International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics Material and Devices, St. Petersburg, Russia, 28 June–2 July 2004, p.77.

7. Малютенко В.К., Малютенко О.Ю., Зиновчук А.В. 2D микро-распределение света и теплового поля в светоизлучающих приборах made in Russia. // Тезисы VI международного украинско-российского семинара “Нанофизика и наноелектроника”, 26-28 сентября 2005, Киев, Украина, с.56.

8. Зиновчук А.В., Малютенко В.К., Вилисов А.А., Захарова Г.Н. Эффекты стягивания тока в светоизлучающих диодах. // Тезисы Девятой конференции “Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V”, 3-5 октября 2006, Томск, Россия, с.404.

9. Зіновчук А. InAsSbP/InAsSb світлодіоди для динамічної імітації сцен в середній інфрачервоній (3-5 мкм) області. // Тези конференції молодих вчених з фізики напівпровідників “Лашкарьовські читання – 2007”, 25-26 квітня 2007, Київ, Україна, с.48.

10. Зиновчук А.В., Вилисов А.А. Real-time мониторинг теплового поля в мощных AlGaAs светодиодах. Тезисы VIII международного украинско-российского семинара “Нанофизика и наноелектроника”, 7-8 декабря 2007, Киев, Украина, с.40.