ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ім. В.Є. ЛАШКАРЬОВА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

Богословська Алла Борисівна

УДК 621.315.592

ІНЖЕКЦІЙНО-ТЕРМІЧНІ ТА РЕКОМБІНАЦІЙНІ ПРОЦЕСИ В

БАГАТОБАРґЄРНИХ А3В5 - НАПІВПРОВІДНИКОВИХ

ВИПРОМІНЮВАЧАХ ІНФРАЧЕРВОНОГО ДІАПАЗОНУ

01.04.01 – фізика приладів, елементів і систем

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі фізики оптоелектронних приладів Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України.

Науковий керівник : доктор фізико-математичних наук,

професор Сукач Георгій Олексійович,

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій,

проректор з наукової роботи

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

професор Глінчук Костянтин Давидович,

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова

НАН України,

головний науковий співробітник

доктор фізико-математичних наук,

професор Тартачник Володимир Петрович,

Інститут ядерних досліджень НАН України,

провідний науковий співробітник

Провідна установа :

Інститут фізики НАН України, відділ оптики та спектроскопії кристалів, м. Київ.

Захист відбудеться „ 21 „ жовтня 2005 р. о 1415 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.199.01 при Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: 03028, Київ-28, проспект Науки, 45.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: 03028, м. Київ, проспект Науки, 45.

Автореферат розісланий „ 16 „ вересня 2005р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В наш час велика увага приділяється проблемі охорони навколишнього середовища, для вирішення якої створюються численні прилади, у тому числі напівпровідникові газоаналізатори для визначення наявності промислових газів, що отруюють атмосферу. Одним із основних елементів газоаналізаторів є напівпровідникове джерело випромінювання, спектральна характеристика якого збігається зі смугою поглинання газу, що контролюється. Відомо, що в середній інфрачервоній (ІЧ) області спектра розташовані сильні фундаментальні смуги поглинання багатьох шкідливих газів, наприклад, метану, вуглекислого газу, ацетону, амонію та інших канцерогенних неорганічних і органічних сполук. Використання напівпровідникових ІЧ-випромінювачів в приладах прикладної спектроскопії дозволяє значно підвищити їх селективність, швидкодію, стійкість до дії агресивного зовнішнього середовища. Необхідність підвищення потужності випромінювання ставить питання пошуку нових матеріалів та розробки приладових структур. Перспективними матеріалами для таких ІЧ - випромінювачів є вузькозонні напівпровідники на основі багатокомпонентних твердих розчинів А3В5, зокрема, потрійні (, GaАlAs, GaInAs) і четверні (, ) тверді розчини на основі бінарних сполук і . Більш глибоке розуміння фізики процесів в цих матеріалах та приладових структурах на їх основі може привести до створення напівпровідникових сполук з наперед заданими оптичними, фотоелектричними, кінетичними й електричними властивостями, і, як наслідок, ефективних приладів ІЧ діапазону.

Знання тенденцій зміни функціональних параметрів напівпровідникових приладів дозволяє правильно та економно експлуатувати їх в різних режимах роботи. Невід'ємним етапом конструкторсько-технологічного проектування сучасних напівпровідникових приладів оптоелектроніки є тепловий аналіз. Теплові перевантаження можуть стати причиною термічної втоми матеріалів, теплових відхилень параметрів, появи локальних областей перегріву та інших форм теплових ушкоджень, які, в решті решт, можуть повністю або частково вивести прилад з ладу. Питання дослідження і розрахунку теплових параметрів напівпровідникових діодів, транзисторів і тиристорів широко висвітлені в науковій літературі. Що стосується інжекційно-термічних процесів у багатошарових оптоелектронних структурах з гомо- і гетеропереходами, то їх дослідження проводилося епізодично і, в основному, для стаціонарних режимів роботи, що явно недостатньо при роботі в імпульсних режимах, коли температура перегріву приладу стає функцією не тільки відстані від джерела тепла, але й параметрів імпульсного струму. Актуальним є дослідження процесів перегріву активної області (АО) напівпровідникових випромінювачів, а також з'ясування механізмів релаксації надлишкової теплової енергії, що обумовлені проходженням через випромінюючу структуру електричного струму. Перевищення критичного значення температури активної області веде до небажаних змін електричних, випромінювальних та інших функціональних параметрів та характеристик приладів.

На сьогоднішній день безсумнівно актуальним є поглиблення знань про процеси, що впливають на рекомбінаційні властивості напівпровідникових ІЧ – випромінювачів. Основними факторами, що обмежують ефективність напівпровідникових випромінювачів на основі вузькозонних бінарних сполук А3В5 і їх твердих розчинів, є процеси безвипромінювальної оже-рекомбінації (ОР). Контролювання швидкості ОР дозволить створити оптоелектронні прилади з поліпшеними експлуатаційними характеристиками. Тому дослідження впливу ОР на роботу приладів ІЧ-діапазону, а також пошук фізичних підходів щодо послаблення процесів ОР, важливі як з наукової, так і з практичної точки зору.

Особливе значення при розробці стабільних оптоелектронних приладів, стійких до впливу сукупності дестабілізуючих факторів, має питання послаблення деградаційних явищ. Електрофізичні дослідження кінетики та механізмів інжекційно-термічної деградації основних функціональних параметрів ІЧ-випромінювачів в процесі тривалої роботи дозволяють розробити шляхи їх конструкторсько - технологічної оптимізації, прогнозувати працездатність і гарантійний строк експлуатації. Викладені вище проблеми й обумовлюють актуальність даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалася відповідно до планів наукових досліджень Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України в рамках наукових тем:

1.

2.

3.

4.

Мета і задачі досліджень. Основною метою роботи було з'ясування та дослідження взаємозв'язку інжекційно-термічних та рекомбінаційних процесів в багатобар'єрних ІЧ-випромінювачах на основі напівпровідникових сполук А3В5.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- проаналізувати інжекційно-термічні процеси в приладових структурах та ІЧ-випромінювачах на основі вузькозонних сполук А3В5 і визначити їх основні теплові параметри (температуру перегріву активної області, тепловий опір);

- визначити вплив безвипромінювальних каналів рекомбінації на кінетичні й інтегральні характеристики та функціональні параметри ІЧ - випромінювачів на основі вузькозонних напівпровідників, а також визначити внесок оже – процесів у перегрів активної області таких випромінювачів;

- з'ясувати механізми релаксації надлишкової теплової енергії в ІЧ - випромінювачах на основі вузькозонних сполук А3В5;

- встановити вплив структурних недосконалостей епітаксійних матеріалів на ефективність процесів випромінювальної рекомбінації та визначити роль потенціальних бар'єрів в гетероструктурах у теплових процесах;

- дослідити закономірності інжекційно-термічної деградації основних функціональних параметрів ІЧ – випромінювачів на основі GaInAs/InAs.

Об’єктом досліджень були оптоелектронні приладові структури ІЧ-діапазону з потенціальними бар’єрами на основі багатокомпонентних твердих розчинів GaInAs, GaАlAs, GaInAsSb і InAsSbР різного молярного складу.

Предметом досліджень були інжекційно-термічні та рекомбінаційні процеси, а також механізми релаксації надлишкової теплової енергії та еволюції фізичних параметрів в оптоелектронних структурах та випромінювачах ІЧ-діапазону.

Методи досліджень. Для кількісної оцінки інтегральних, спектральних, диференціальних і кінетичних параметрів ІЧ - випромінювачів основними експериментальними методами досліджень були електрофізичний та електролюмінісцентний. Для вимірювання ефективного часу життя неосновних носіїв заряду було застосовано метод аналізу перехідних процесів у бар’єрах при переключенні вхідної напруги з прямого напрямку на зворотний, а також аналіз кінетики електролюмінесценції. За допомогою комп'ютерного моделювання і використання прикладних програмних пакетів проведено чисельний аналіз і співставлення виконаних нами теоретичних розрахунків з отриманими експериментальними результатами.

Наукова новизна дисертації обумовлена рядом важливих наукових результатів, які вперше отримано в результаті комплексних досліджень ІЧ - випромінювачів на основі напівпровідникових сполук А3В5.

1. Проведено феноменологічний розрахунок характеристичних температур перегріву напівпровідникових ІЧ - випромінювачів з потенціальними бар'єрами при імпульсних режимах експлуатації, який дозволив встановити взаємозв'язок теплових параметрів із внутрішніми параметрами випромінювачів і параметрами робочого струму (тривалість tі та шпаруватість Q імпульсів струму).

2. Виявлено наявність істотного струмового перегріву області генерації випромінювання ІЧ – випромінювачів на основі вузькозонних сполук GaInAsSb, GaInAs і та з’ясовано, що в залежності від температури перегріву АО, основними механізмами релаксації надлишкової теплової енергії є електрон-електронна або електрон-фононна взаємодії.

3. Встановлено взаємозв'язок теплових і рекомбінаційних процесів в ІЧ –випромінювачах на основі GaInAsSb, GaInAs і та визначена залежність інтенсивності безвипромінювальних рекомбінаційних процесів (в тому числі, оже-рекомбінації) від величини інжекційно-термічного перегріву області генерації випромінювання.

4. З’ясовано зв’язок температури перегріву активної області випромінюючої GaxIn1-xAs/InAs структури з її молярним складом. Показано, що в залежності від молярного складу GaxIn1-xAs домінуючий вплив на теплові процеси визначають або процеси безвипромінювальної ОР, або рекомбінація Шоклі-Холла-Ріда.

5. Визначено залежність температури перегріву активної n-0.79In0.21As0.19Sb0.81 області ІЧ - випромінювачів від величини потенціальних бар'єрів на гетерограницях. Виявлено посилення перегріву АО випромінювачів на основі подвійних гетероструктур N–GaSb N–GaAlAsSb n-GaInAsSb -GaAlAsSb у порівнянні з одиночними гетероструктурами N–GaSb n-GaInAsSb -GaAlAsSb, зумовлене більшим значенням величини потенціальних бар'єрів, а також більшою ймовірністю інтерфейсних оже - процесів на гетерограницях.

6. Встановлено вплив дислокацій невідповідності в гетероструктурах InAsSbР/InAs на квантову ефективність ІЧ-випромінювачів. Показано, що при густині дислокацій невідповідності більшій від ~  )  6 см-2 (параметр неузгодженості ґраток 0 0.5 %), спостерігається суттєве падіння інтенсивності випромінювання.

7. Виявлено наявність аномальної деградації основних функціональних параметрів ІЧ-випромінювачів на основі GaInAs/InAs в процесі довгострокової експлуатації, причиною якої є конкуренція двох каналів лінійної рекомбінації (через стабільні та нестабільні центри) при слабкій ефективності каналу оже-рекомбінації. Показано, що у випадку превалювання процесів оже - рекомбінації над рекомбінацією Шоклі-Холла-Ріда спостерігається нормальна деградація параметрів ІЧ-випромінювачів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Розроблені й апробовані розрахунково-експериментальні методики визначення теплових параметрів напівпровідникових випромінювачів з потенціальними бар'єрами, які дозволяють виробити шляхи їхньої конструкторсько-технологічної оптимізації.

2. Сформульовані рекомендації щодо вибору робочих режимів експлуатації напівпровідникових лазерних гетеродіодів в зв’язку з експериментально виявленим та детально дослідженим струмовим перегрівом активної області ІЧ-випромінювачів.

3. Продемонстровано можливість керування ймовірністю безвипромінювальних процесів рекомбінації в ІЧ-випромінювачах на основі вузькозонних сполук шляхом підбору сталих гратки шарів структури, а також висоти гетеробар’єру.

4. Розроблені та виготовлені високостабільні ІЧ - випромінювачі на основі ненапружених гетероструктур типу InAsSbР/InAs.

Достовірність і обґрунтованість наукових положень, результатів і висновків забезпечена використанням комплексу апробованих сучасних методик і методів вимірювання; підтверджується багаторазовим повторенням експериментів з подальшою статистичною обробкою результатів, хорошим узгодженням результатів експериментів з теоретичними розрахунками, збігом значень одних і тих же параметрів, отриманих з різних фізичних експериментів; широкою апробацією роботи в наукових засобах інформації.

Особистий внесок здобувача. Дисертант у співдружності із співавторами наукових робіт брала активну участь у постановці задачі та виборі методів досліджень. Здобувачем особисто проведено експериментальні дослідження теплових 1, 3, 5, 6, 8, 11, 13, 16, 18, оптичних 2, 4, 6, 9 - 12, 15 та електрофізичних 4, 6, 7, 14, 19 властивостей приладових структур ІЧ- випромінювачів на основі багатокомпонентних сполук А3В5; виконана математична обробка отриманих результатів 1, 3 - 9; здійснено фізико-математичне моделювання процесів інжекційно-термічної еволюції функціональних параметрів ІЧ-випромінювачів 7, 17, 20. Інтерпретація і теоретичний аналіз отриманих результатів були проведені спільно з науковим керівником. Всі наукові положення, що виносяться на захист, висновки і рекомендації сформульовані автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати дисертації доповідалися й обговорювалися на наступних науково-технічних конференціях і семінарах: I Всеросійській конференції з фізики напівпровідників, (Росія, Н.-Новгород, 1993), IV Internanional conference “Thin Solid Films” (Ukraine, Кherson, 1995), Internanional Workshop on Advanced Technologies of Multicomponent Solid Films and Structures, (Ukraine, Uzgorod, 1996), European Materials Research Society, Spring Meeting (France, Strasbourg, 1998), International conference “Optical diagnostics of materials and devices for opto-, micro- and quantum electronics” (Ukraine, Kiev, 1999, 2003), II Українській науковій конференції з фізики напівпровідників (Україна, Чернівці, 2004), IV, V, VI, VII, X Міжнародних конференціях з фізики і технології тонких плівок, (Україна, Івано-Франківськ, 1993, 1995, 1997, 1999, 2005 р.р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи відображені в 20 наукових роботах, в тому числі в 10 статтях, опублікованих в фахових журналах і збірниках, та в 10 тезах наукових конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків і списку використаних джерел, що містить 209 найменувань. Повний обсяг дисертації становить 193 сторінки, включаючи 38 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, вибір об’єктів і методів досліджень, викладено мету, сформульовані задачі досліджень, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, вказано на зв’язок роботи з науковими програмами інституту, наведено відомості про особистий внесок автора, апробацію результатів досліджень та кількість публікацій за матеріалами дисертації, а також структуру і обсяг роботи.

У першому розділі дисертації приведено аналіз стану проблеми з найбільш актуальних для дисертаційної роботи питань рекомбінаційних та інжекційно-термічних процесів в напівпровідникових випромінювачах. Зокрема розглянуто вплив температури на внутрішні генераційно-рекомбінаційні процеси в ІЧ-випромінювачах. Обговорено літературні дані про особливості теплових процесів в напівпровідникових випромінювачах при імпульсних режимах живлення. Проаналізовано вплив безвипромінювальних процесів оже-рекомбінації на основні характеристики напівпровідникових джерел випромінювання. Розглянуті відомості про моделі деградації основних фізичних параметрів напівпровідникових ІЧ-випромінювачів. Наведено огляд фізико-технологічних властивостей основних напівпровідникових сполук А3В5, які використовуються для створення випромінювачів ІЧ-діапазону.

У другому розділі дисертації описані розроблені нами експериментальні методи та розрахунково-експериментальні методики визначення теплових, електрофізичних і люмінесцентних параметрів напівпровідникових випромінювачів. Кількісно визначені теплові параметри напівпровідникових джерел випромінювання. Основним тепловим параметром є температура перегріву активної області випромінювачів (Т), під якою розуміється перевищення температури області, у якій генерується випромінювання, над температурою навколишнього середовища Т ТАО  ТНС. Вимірювання температури перегріву активної області ІЧ-випромінювачів здійснювалось за допомогою аналізу залежності між Т та теплочутливим параметром. При електролюмінісцентному методі вимірювання температури перегріву активної області в якості теплочутливого параметру використовувалась довжина хвилі в максимумі смуги випромінювання max, тоді як при електрофізичному методі аналізувалось падіння напруги на р-n-переході під впливом струму, що викликає перегрів активної області джерела випромінювання. Описано розроблені та практично реалізовані установки для вимірювання інтегральних, спектральних і кінетичних характеристик напівпровідникових джерел випромінювання. Проаналізовані джерела похибок вимірювань для методик, які реалізовано в експериментальних установках. Приведена оцінка похибок від неінформаційних і дестабілізуючих факторів при дослідженні спектральних характеристик напівпровідникових ІЧ- випромінювачів.

В третьому розділі дисертації проведено теоретичний аналіз основних закономірностей теплових процесів у напівпровідникових випромінювачах при імпульсних режимах живлення. Аналіз виконано для багатоелементної теплової моделі, яка побудована на основі методу еквівалентних електричних аналогій. Елементами моделі є декілька з’єднаних послідовно теплових опорів RТі та теплоємностей СТі, що описують проходження тепла від активної області випромінювача до навколишнього середовища через багатошарову напівпровідникову структуру. Теплові процеси розглядалися при істотному впливі tі і Q імпульсів струму. На основі проведеного розрахунку встановлено зв'язок максимальної Tmax і мінімальної Tmin температур перегріву АО випромінювача при живленні імпульсним електричним струмом I з тією температурою Tстац, що мала б місце при використанні постійного струму такої ж амплітуди. Виявлено, що характеристичні температури перегріву активної області напівпровідникових випромінювачів при імпульсному збудженні залежать не тільки від параметрів робочого струму I, tі і Q, але і від внутрішніх параметрів структури, зокрема від теплової сталої часу i. Теплові сталі часу (i RC) введено на підставі електричного аналога теплових процесів. Показано, що під час імпульсного режиму живлення кожній i відповідає своя складова RТі.

Отримано хороше узгодження теоретичних розрахунків та експериментальних даних залежності Tmax = f(Q, tі) для випромінювачів на основі сполуки GaAlAs. Експериментальна залежність Tmax = f(Q, tі) пояснена в рамках моделі, що складається з двох ланцюжків теплової еквівалентної схеми, в припущенні варіації внесків компонент температури зі швидкою 1 і більш повільною 2 тепловою сталою часу в загальну амплітуду Tmax. Визначено, що з ростом інтервалів часу між імпульсами збільшується внесок у Tmax компоненти зі сталою 2 і зменшується внесок компоненти зі сталою 1. Отримані результати свідчать про те, що для правильного вибору режимів роботи напівпровідникових випромінювачів оцінку теплових параметрів треба виконувати з урахуванням впливу на них параметрів імпульсного струму. Ігнорування цього фактору може привести до суттєвих похибок в роботі оптоелектронних пристроїв з використанням напівпровідникових випромінювачів.

Четвертий розділ присвячено дослідженню інжекційно-термічних процесів в ІЧ - випромінювачах на основі напівпровідникових вузькозонних сполук GaInAs, InAsSbР, GaInAsSb різного молярного складу, а також з'ясуванню механізмів релаксації надлишкової теплової енергії, що збільшується при зростанні електричного струму. Аналіз теплових процесів здійснювався за допомогою вивчення струмової залежності Т випромінювачів, ват-амперних характеристик (ВтАХ), а також дослідження залежності часу життя неосновних носіїв заряду від рівня збудження.

Експериментальні дані, отримані незалежними методами, виявили наявність сильного струмового перегріву АО випромінювачів, який веде до зміни їх експлуатаційних характеристик. Вплив струмового перегріву АО при імпульсному режимі живлення був значно меншим, ніж при стаціонарному. Паралельний аналіз залежностей Т (I) і Р = (I, Т) показав, що струмовий перегрів АО випромінювачів при зростанні густини інжекційного струму j викликає значне зниження вихідної потужності Р випромінювання. Виявлено, що в діапазоні густини струмів 2-30 А/см  відношення Рвід = Р/Р0 (Р0 - потужність випромінювання при I =  мА) для випромінювачів на основі GaInAs/InAs змінювалось майже вдвічі сильніше, ніж у випромінювачах на основі InAsSbР/InAs. Отже, при використанні випромінювачів на основі GaInAs/InAs в аналітичному приладобудуванні потрібна їх термостабілізація.

Дослідження Т (I) виявили залежність величини струмового перегріву як від матеріалу АО, так і від його молярного складу. Встановлено, що серед випромінювачів на основі GaxIn1-xAs (x = .026; 0.04; 0.09; 0.12; 0.17; 0.22) мінімальне значення Т мають сполуки GaxIn1-xAs з x = .09, а максимальне - сполуки з х = .026 (Т = 109 К при j  А/см2). Відмінність в значеннях обумовлена зміною як механізму розсіювання надлишкової теплової енергії, так і механізмів рекомбінації в даних структурах (див. розділ 5).

Вплив на теплові процеси величини потенціальних бар'єрів на гетерограницях встановлено за результатами аналізу залежностей Т (I) і Р = (I) для ІЧ-випромінювачів на основі одиночних гетероструктур (ГС) типу N–GaSb n-GaInAsSb -GaAlAsSb і подвійних ГС типу N–GaSb N–GaAlAsSb n-GaInAsSb -GaAlAsSb з активною n - Ga0.79In0.21As0.19Sb0.81 областю. Визначено, що в подвійних ГС, які мають більші у порівнянні з одиночними ГС розриви енергетичних зон на гетерограниці, перегрів АО більший у всьому діапазоні робочих струмів, рис. 1. Максимальна Т для подвійних ГС при струмі 120 мА (j   А/см2) склала величину 63 К, тоді як для одиночних ГС її величина була 52 К. Посилення інжекційно-термічного перегріву в подвійних ГС приводить до зростання порогового струму лазерних діодів та зриву генерації в неперервному режимі живлення при кімнатній температурі.

Експериментальні дослідження залежності часу життя неосновних носіїв заряду еф від рівня збудження і теоретичні розрахунки показали, що основними механізмами релаксації надлишкової теплової енергії, яка виникає внаслідок струмового розігріву, у досліджуваних ІЧ-випромінювачах є електрон-електронна або електрон-фононна взаємодії. В випромінювачах на основі n –при малих струмах I  мА (j   А/см2) перегрів активної області здійснюється за рахунок розігріву електронного газу гарячими електронами внаслідок, в основному, швидкої електрон-електронної взаємодії. Імпульс розігрітих електронів менше за імпульс теплових фононів і розігрівом кристалічної ґратки в цьому режимі можна знехтувати. При підвищенні струму гарячі електрони взаємодіють із усією фононною системою напівпровідника, що веде до нагрівання кристалічної ґратки до Тг = f(I). Основним механізмом розігріву при I  мА треба вважати джоулів нагрів гратки. Тобто, підвищення струму веде до зміни характеру взаємодії електронної та фононної систем.

Паралельно з електрофізичними дослідженнями вивчався вплив структурних недосконалостей епітаксійних матеріалів на ефективність процесів випромінювальної рекомбінації. Як відомо, розсіювання носіїв заряду на недосконалостях кристалічної ґратки спричиняє порушення теплової рівноваги в напівпровідникових системах, що відображається на вихідних параметрах випромінювачів. Встановлено, що в гетероструктурах InAsSbР/InAs найбільшу випромінювальну здатність мають структури з густиною похилих дислокацій ~ 5  3 см-2, яка відповідає параметру неузгодженості ґраток на гетерограниці 0 =  ,15)Концентрація дислокацій не впливає на випромінювальну здатність, тому, що середня відстань між дислокаціями перевищує дифузійну довжину неосновних носіїв заряду в активній InAsSbР області. При 0 0.5густина дислокацій склала величину ~ (5 - 8) 106 см-2 і ефективність таких структур була значно меншою.

Дослідження профілю розподілу концентрації домішки, що домінує в області гетеропереходу в N-GaSb / n-Ga0.90In0.10As0.09Sb0.91 / P-Ga0.66Al0.34As0.02Sb0.98 виявило неспівпадіння границь р-п- переходу і металургійної Р+ - п- гетерограниці, рис. 2 (вст. а). Зсув р - п-переходу в глибину АО від Р+- п -гетерограниці на відстань 0.8 мкм і поява p+-GaAlAsSb р-GaInAsSb гетеропереходу обумовлені значною величиною коефіцієнта дифузії акцепторної домішки (Ge) в порівнянні з донорною (Те), що сприяє дифузії Ge з високолегованої Р+-області в активну область. Аналіз результатів показав, що профіль N(x) в нашому випадку є розподілом дірок в р - матеріалі гетероструктури. Особливістю розподілу дірок є його немонотонний характер: розташовані поруч максимум і мінімум концентрації домішки, що викликано розривом валентної зони на Р+-р гетерограниці. Визначено значення розриву валентної зони, яке склало Еv  ±  меВ.

У п’ятому розділі дисертації викладено експериментально-теоретичні дослідження процесів безвипромінювальної оже-рекомбінації в ІЧ - випромінювачах на основі вузькозонних напівпровідників А3В5, а також встановлено взаємозв'язок теплових і рекомбінаційних процесів в них. Проведено якісний аналіз загальних закономірностей та характерних особливостей процесів міжзонної ОР типу СНСС (рекомбінація електрона і дірки з передачею звільненої енергії іншому електрону в зоні провідності) та CHНS (процес рекомбінації за участю електрона і двох дірок, одна з яких переходить в спін-орбітально відщеплену валентну зону) в напівпровідникових сполуках GaInAs, InAsSbР, GaInAsSb та гетероструктурах на їх основі.

Для одержання інформації про процеси ОР використовувалися непрямі методи дослідження. Аналізувався час життя нерівноважних носіїв заряду як функція рівня збудження, температури і концентрації основних носіїв заряду. Виявлено, що в випромінювачах з активною n -0.79In0.21As0.19Sb0.81 областю зростання струму супроводжується зміною рекомбінаційних процесів в АО. При зростанні струму понад 50 мА (j А/см2) спостерігалось різке падіння еф. Характер залежності набував вигляду еф I -2/3, що свідчить про включення в процеси рекомбінації об'ємних оже - процесів СНСС - типу. Цей факт підтверджує поведінка ВтАХ досліджуваних структур, де також спостерігалась зміна механізмів рекомбінації. При малих струмах величина нахилу ВтАХ була  .31.5, що трохи нижче значення, властивого випромінювальній міжзонній рекомбінації  ~ . З ростом струму в ході ВтАХ виявлено перехід до нахилу  ~ , що вказує на участь у процесах рекомбінації безвипромінювальних оже - процесів в об’ємі активної області.

Теоретичний аналіз температур-них залежностей випромінювального  ВИПР та часів безвипромінювальної оже - рекомбінації (CHCC і CHHS) виконаний для ІЧ-випромінювачів на основі n -0.79In0.21As0.19Sb0.81, показав, що в температурному діапазоні Т =    К внеском ОР типу CHНS в процеси рекомбінації можна знехтувати, рис. 3. При температурах нижче кімнатної розраховане CHCC значно перевищує ВИПР і домінуючими в процесах рекомбінації є випромінювальні процеси. З ростом температури величина CHCC різко (квадратично) знижується і при Т  К значення CHCC стає істотно менше ВИПР. Процеси оже-рекомбінації CHCC-типу починають превалювати над випромінювальними процесами. Отримані результати підтверджують експериментально встановлене зниження квантового виходу ІЧ-випромінювачів при підвищенні температури перегріву АО за рахунок зростання вірогідності оже - процесів.

Дослідження залежності еф від концентрації основних носіїв заряду р0, що виконані для гетероструктур р-InGaAs/InAs і р-InAsSbР/InAs, визначили вплив ступеня легування на ймовірність участі процесів ОР в рекомбінаційних процесах. Виявлено, що в InGaAs/InAs з р0   16 см -3 основний внесок у процеси рекомбінації дають оже-процеси. Про це свідчить близькість теоретичної CHHS f) та експериментальної еф f) залежностей. В структурах InAsSbР/InAs (р0   16 см–3) коефіцієнт нахилу залежності еф f) склав величину 0,5. Така ситуація свідчить про те, що характер залежності для гетероструктур з таким рівнем легування визначається конкуренцією між випромінювальною рекомбінацією (випр /Вp0) та безвипромінювальною рекомбінацією Шоклі–Холла–Ріда (ШР  fp0)). В даному випадку домінуючими є процеси випромінювальної рекомбінації. Таким чином встановлено, що оптимальним рівнем легування, з точки зору випромінювальної здатності ІЧ - випромінювачів, є р0  16 см–3, коли ймовірність прояву оже-рекомбінації мала.

Аналіз температур перегріву АО, отриманих для випромінювачів з активною р-GaxIn1-xAs областю різного молярного складу (див. розділ 4), дозволив встановити взаємозв'язок теплових і рекомбінаційних процесів. Основною причиною перегріву р-GaxIn1-xAs є оже - процеси CHHS типу. Сприятливими для їх прояву є умови, коли енергія спін-орбітального розщеплення валентної зони менша або дорівнює ширині забороненої зони Еg. Імовірність ОР найбільша в сполуках GaxIn1-xAs з х ? , що підтверджує експериментально отримане максимальне значення Т таких структур. Зростання долі GaAs в сполуках GaxIn1-xAs викликає порушення резонансу Eg ? , що сприяє зниженню ефективності ОР, і, як наслідок, супроводжується зменшенням Т структур у діапазоні молярних сполук з x   .09. Визначено, що мінімальну Т мають сполуки GaxIn1-xAs з х = .09, рис. 4. Подальше збільшення частки GaAs у сполуках GaxIn1-xAs сприяє погіршенню якості матеріалів через неузгодженість постійних ґраток InAs і GaAs (~ .9Порушення регулярності кристалічної ґратки сприяє росту густини похилих дислокацій, які формують енергетичні рівні в забороненій зоні матеріалу. Дислокації служать джерелом ефективного стабільного каналу безвипромінювальної рекомбінації. Вони забезпечують збільшення температури перегріву АО в тому діапазоні сполук (x .09), де імовірність CHHS оже процесів падає, рис. 5.

Аналіз експериментальних залежностей Т = f(I) і еф = f(I) випромінювачів на основі n-Ga0.79In0.21As0.19Sb0.81 дозволив встановити взаємозв'язок між процесами ОР і тепловими процесами. При I  мА (j >  А/см2) перегрів АО сприяє посиленню впливу безвипромінювальної ОР. В свою чергу, релаксація енергії оже - електронів здійснюється на рівноважних електронах в АО, що призводить до додаткового розігріву електронного газу. Це обумовлено тим, що гетеробар'єр між активною та емітерною областями (0,74 еВ) суттєво перебільшує енергію оже – електрону, а тому ймовірність виходу високоенергетичних електронів із потенціальної ями мала. В подвійних ГС в процесі оже-рекомбінації електрони не покидають активну область, тобто концентрація рекомбінуючих носіїв заряду залишається постійною. В одиночних ГС високоенергетична частина носіїв заряду внаслідок пружного відбиття від гетерограниці активна область-емітер може перейти в контактну область, що приведе до зменшення загальної кількість рекомбінуючих носіїв заряду. Внаслідок того, що в подвійних ГС величина розривів зони провідності більша, ніж в одиночних ГС, сильніше проявляються інтерфейсні оже – процеси, які вносять свій внесок в розігрів АО. Це пояснює більше значення Т в подвійних ГС, ніж в одиночних ГС, в усьому діапазоні струмів. На підставі отриманих експериментальних даних проведена оцінка Т, пов'язаної з процесами ОР. Для одиночних ГС величина температури перегріву АО, обумовленої ОР, склала 8 К, тоді як для подвійних ГС її значення було порядку 10 К.

Шостий розділ дисертації присвячений питанням вивчення фізичних механізмів і кінетики інжекційно-термічної деградації функціональних параметрів напівпровідникових випромінювачів ІЧ-діапазону в процесі тривалої експлуатації. Досліджувалась партія ІЧ-випромінювачів на основі GaxIn1-xAs/InAs (0.02х0.25) при температурах 298 та 323 К. Тривалість випробувань t складала 2000 год. Оцінка ступеня деградації ґрунтувалася на результатах вимірювань ВАХ, Р, еф та спектрів електролюмінісценції. При дослідженні залежності P(t) 60% випромінювачів мала аномальний характер деградації: в інтервалі t = 0 - 400 год потужність їх випромінювання збільшувалася в 1.5 – 2.0 рази відносно свого початкового значення P0. Протягом наступного терміну випробувань (t >  год) інтенсивність випромінювання поступово зменшувалась, рис. 6 (криві 2,3). Аномальна деградація з імовірністю понад 80% спостерігалась в ІЧ-випромінювачах з концентрацією основних носіїв заряду р0 11017 см-3; зі складом х > 0.09; з великою початковою густиною похилих дислокацій. В інших випадках деградація мала нормальний характер – поступове зменшення Р з часом, рис. 6 (крива 1). Підвищення I і Т випробувань сприяло зростанню швидкості деградації випромінювачів і зменшенню відношення P(t)/P0 у максимумі.

Аналіз кінетики деградації Р проводився на основі статистичного дослідження залежності еф = f(t) в активній р- In1-xGaxAs області ІЧ-випромінювачів. Порівняння експериментальних результатів з теоретичними розрахунками показали, що основний внесок в залежність еф = f(t) дають процеси оже – рекомбінації CHHS-типу (CHHS), а також процеси рекомбінації Шоклі–Холла-Ріда через глибокі рівні (S). У випадку рекомбінації по механізму Шоклі–Холла-Ріда передбачалась наявність стабільних та нестабільних центрів безвипромінювальної рекомбінації (ЦБР).

Встановлено, що нормальна деградація Р має місце, коли в процесах рекомбінації превалюють оже-процеси (CHHSS). Крім того, рекомбінація по механізму Шоклі–Холла-Ріда через стабільні центри домінує над такою ж рекомбінацією через нестабільні центри. Інжекційно - термічна деградація ІЧ – випромінювачів у процесі експлуатації веде до генерації глибоких ЦБР, що і служить причиною повільної деградації Р в цілому. В випадку домінування процесів рекомбінації Шоклі–Холла-Ріда при слабкій ефективності оже-процесів (S CHHS) має місце аномальна деградація P. На першому етапі аномальної деградації концентрація нестабільних ЦБР значно перевищує концентрацію стабільних ЦБР і еф визначається групою нестабільних ЦБР. Інжекційно  термічні процеси сприяють їх руйнуванню, що супроводжується ростом Р. Після руйнування складові частини нестабільних ЦБР дифундують зі стоків в інші області випромінювача та об’єднуються там в нові більш стабільні, але менше рекомбінаційно ефективні центри. Через певний час роботи випромінювачів з процесів рекомбінації виключаються нестабільні ЦБР і, на фоні посиленого за рахунок цього каналу ОР, спостерігається посилення ефективності рекомбінації через стабільні ЦБР, концентрація яких зросла. Це сприяє переходу через максимум і послідуючому поступовому зниженню Р. Механізми розпаду нестабільних і утворення більш стабільних ЦБР взаємозалежні, рис. 7. Аналіз експериментальних результатів, отриманих для випромінювача з аномальним характером деградації, показав якісну кореляцію залежностей Р (t), еф / 0 = f(t), і сумарного рекомбінаційного фактору центрів безвипромінювальної рекомбінації NС (t), рис. 7 (крива 3). Рекомбінаційний фактор NС, характеризує ймовірність рекомбінації через той чи інший канал рекомбінації і визначається концентрацією N та коефіцієнтами захвату носіїв заряду С відповідним центром рекомбінації.

З урахуванням того, що на протязі всього терміну досліджень концентрація основних носіїв заряду в АО випромінювачів лишалась сталою при зростанні еф(t), можна зробити висновок, що в процесі довгострокової експлуатації аномальна деградація параметрів ІЧ-випромінювачів на основі In1-xGaxAs/InAs здійснюється за рахунок включення та поступового підсилення нерекомбінаційних механізмів деградації.

ВИСНОВКИ

1. На основі проведеного феноменологічного розрахунку температур струмового перегріву напівпровідникових випромінювачів при імпульсних режимах живлення встановлено взаємозв'язок характеристичних температур перегріву випромінювачів при імпульсному живленні з параметрами струму (тривалість та шпаруватість імпульсів струму) і внутрішніми фізичними параметрами випромінювачів, що необхідно враховувати при виборі робочих режимів напівпровідникових ІЧ-випромінювачів.

2. Виявлено наявність істотного струмового перегріву активної області ІЧ-випромінювачів на основі вузькозонних напівпровідникових сполук GaInAs, InAsSbР, GaInAsSb і встановлено зв’язок температури перегріву активної області з погіршенням експлуатаційних характеристик ІЧ-випромінювачів.

3. Визначена залежність струмового перегріву активної області ІЧ-випромінювачів на основі GaxIn1-xAs від молярного складу напівпровідникової сполуки, яка обумовлена зміною як механізму розсіювання надлишкової теплової енергії, так і механізму рекомбінації в даних структурах. Встановлено, що мінімальну Т мають структури з х  ,9. В сполуках з х  ,9 перегрів посилюється за рахунок великої ймовірності безвипромінювальних процесів ОР, а при х ,9 – внаслідок погіршення якості структури (неузгодженість постійних ґраток InAs і GaAs складає ~ .9

4. Проаналізовано механізми релаксації надлишкової теплової енергії гарячих електронів в ІЧ-випромінювачах та виявлено, що основними з них є електрон-електронна або електрон-фононна взаємодії. Показано, що в випромінювачах на основі n –при I   мА (j   А/см2) перегрів активної області здійснюється за рахунок розігріву електронного газу гарячими електронами внаслідок швидкої електрон-електронної взаємодії, а при підвищенні струму гарячі електрони взаємодіють із усією фононною системою напівпровідника, що веде до нагрівання кристалічної ґратки до Тг = f(I).

5. Встановлено взаємозв'язок теплових і рекомбінаційних процесів у напівпровідникових випромінювачах ІЧ – діапазону: зростання струмового перегріву АО веде до посилення ролі безвипромінювальних процесів ОР в рекомбінаційних процесах, що в свою чергу сприяє підвищенню температури перегріву АО.

6. Виявлено вплив на теплові процеси величини потенціальних бар'єрів на гетерограницях випромінюючих ГС. Встановлено посилення струмового перегріву активної області в подвійних ГС типу N – GaSb / N - GaAlAsSb / n- GaInAsSb / - GaAlAsSb у порівнянні з одиночними ГС типу N–GaSb / n-GaInAsSb /-GaAlAsSb викликане більшою величиною потенціальних бар’єрів, що поряд з об'ємними оже - процесами збільшує ймовірність інтерфейсних оже- процесів на гетерограницях. Кількісно визначено, що для одиночних ГС величина Т дорівнює 52 К (j  А/см2), тоді як для подвійних ГС її значення порядку 63 К. Внесок у перегрів активної області, обумовлений процесами оже-рекомбінації, склав для одиночних ГС 8 К, а для подвійних ГС 10 К.

7. Визначено вплив дислокацій невідповідності в гетероструктурах InAsSbР/InAs на квантову ефективність ІЧ-випромінювачів. Показано, що при густині дислокацій менше 5 103 см-2 (параметр неузгодженості ґраток 0 = (0 - 0.15)їх вплив на квантову ефективність випромінювачів незначний, тоді як густина дислокацій невідповідності ~  )  6 см-2 ( 0 .5обумовлює суттєве падіння інтенсивності випромінювання.

8. Експериментально виявлено наявність аномальної деградації фізичних параметрів ІЧ-діодів на основі GaInAs/InAs в процесі довгострокової експлуатації, яка пояснена в межах феноменологічної теорії, що передбачає рекомбінацію за участю двох груп центрів (стабільних і нестабільних) при слабкій ефективності каналу ОР. Враховано інжекційно-термічну взаємодію і перетворення цих центрів: розпад і зменшення концентрації рекомбінаційно-ефективних нестабільних центрів та одночасне зростання концентрації стабільних центрів безвипромінювальної рекомбінації. Показано, що у випадку превалювання ОР над рекомбінацією Шоклі–Холла-Ріда спостерігається нормальна деградація параметрів ІЧ-діодів.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ:

1. Сукач Г.А., Сыпко Н.И., Богословская А.Б. Тепловые процессы в светоизлучающих диодах при импульсном возбуждении // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. – 1987. – Вып.11. – С.  – .

2. Влияние низкодозового облучения на характеристики излучающих структур на основе компенсированного арсенида галлия / Г.А. Сукач, Н.И. Сыпко, А.Б. Богословская, А.Е. Гафт, Е.А. Глушков, В.Д. Лисовенко, А.А. Литвин, В.А. Шевченко // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. – 1993. - Вып.26. - С.64 – .

3. Разогрев в гетероструктурах на основе GaInAsSb / Н.М. Колчанова, А.А. Попов, А.Б. Богословская, Г.А. Сукач // Письма в журнал технической физики. – 1993. – Т.19, вып. 21. – С. 61-65.

4. Исследование распределения примеси в области гетерограницы р –р –/ А.Б. Богословская, Н.М. Колчанова, Ф.И. Маняхин, А.А. Попов, Г.А. Сукач // ФТП. – 1993. – Т.27, вып.27. – С.1574–1577.

5. Тепловые процессы в светодиодных гетероструктурах на основе GaInAsSb / Н.М. Колчанова, А.А. Попов, Г.А. Сукач, А.Б. Богословская // ФТП. - 1994. - Т.28, №12. - С.2065-2072.

6. Тепловые параметры многоэлементных шкальных индикаторов при различном возбуждении / А.Б. Богословская, А.В. Бушма, П.Ф. Олексенко, Г.А. Сукач // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. – 1996. – Вып.31. – С.84-89.

7. Инжекционно-термическая эволюция физических параметров ИК-излучателей на основе соединений InGaAs / Г.А. Сукач, А.Б. Богословская, Ю.Ю. Билинец, Н.Г. Сукач // Український фізичний журнал. – 1997. – Т.42, №1. – С. 77 – 84.

8. Тепловые и оже - процессы в p-n переходах на основе GaInAs/InAs и GaInAsSb/InAs / Г.А. Сукач, П.Ф. Олексенко, А.Б. Богословская, Ю.Ю. Билинец, В.Н. Кабаций // Журнал технической физики. – 1997. – Т.67,№9. - С.68-71.

9. Effect of Auger recombination on thermal processes in InGaAs and InGaAsSb IR-emitting diodes / G. A. Sukach, A. B. Bogoslovskaya, P. F. Oleksenko, Yu.Yu. Bilinets, V.N. Kabatciy. // Inrared Phys. & Techn. – 2000. – V.41. – P. 299-306.

10. Богословская А.Б., Сукач Г.А. Рекомбинационные процессы в оптоэлектронных структурах ИК-диапазона на основе соединений АIIIВV // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. – 2001. – Вып.36. – С.127-160.

11. Излучательные и тепловые свойства приборных структур на основе гетероэпитаксиальных пленок GaAs/GaAlAs / Г.А. Сукач, Т.Т. Пиотровски, Э.Б. Каганович, А.Б. Богословская // IV Международная конференция по физике и технологии тонких пленок. Тезисы докладов. Ивано-Франковск (Украина). – 1993. - С.122.

12. Физические процессы в активной области гетероэпитаксиальных ИК-излучателей на основе GaInAsSb / Г.А. Сукач, А.Б. Богословская, Н.М. Колчанова, А.А. Попов // IV Международная конференция по физике и технологии тонких пленок. Тезисы докладов. Ивано-Франковск (Украина). - 1993. - С.128.

13. Разогрев электронного газа в гетероструктурах на основе GaInAsSb / А.Б. Богословская, Н.М. Колчанова, А.А. Попов, Г.А. Сукач // I Всероссийская конференция по физике полупроводников. Тезисы докладов, Н.-Новгород (Россия). – 1993. – С. 94.

14. Nonmonotonic profile of impurity dominant in the active region of GaInAsSb- based double heteroepitaxial structure / A.B. Bogoslovskaya, N.M. Kolchanova, A.A. Popov, G.A. Sukach // Proc. 6 Int. Conf “Thin Solid Films”, Herson (Ukraine). – 1995. - v.1. - Р.174-177.

15. Оже – процессы в двойных гетероструктурах на основе GaInAsSb / Г.А. Сукач, А.Б. Богословская, Н.М. Колчанова, А.А.