Научно-технологический центр микроэлектроники и субмикронных гетероструктур при Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН,
194021 Санкт-Петербург, Политехническая 26.

Появившиеся в середине 90-х годов светоизлучающие диоды (СИД) сине-зеленого диапазона на основе InGaN- структур c квантово-размерной активной областью [1] в совокупности с уже разработанными к этому времени желто-красными и красными СИД на AlGaInP- и AlGaAs-гетероструктурах [2] перекрыли по цветовой гамме весь видимый спектральный диапазон, обеспечивая при этом достаточно эффективное преобразование электрической энергии в оптическую: внешняя квантовая эффективность приборов составила от нескольких единиц до более 10%, что в других терминах, употребительных в светотехнике, означает достижение силы света от отдельного СИД на уровне нескольких кандел или светового к.п.д. (светоотдачи) порядка10-20лм/Вт. При такой эффективности СИД стали конкурентоспособными с накальными и флуоресцентными лампами, что обусловило очень высокие темпы роста как собственно их производства, так и светотехнических приборов на их основе (наиболее яркий пример — дорожные светофоры). Вместе с тем, начавшееся широкое использование СИД в приборах, требующих от них работы в режиме максимальной выходной мощности, выявило, и ряд ограничений и нерешенных вопросов, особо существенных именно для InGaN-светодиодов.

В работе [3] приведены рекордные значения внешнего квантового выхода η_e = 18% для синего (λ= 470нм) и η_e = 20% для зеленого (λ= 510нм) InGaN-СИД с одиночной квантовой ямой. Сами по себе эти значения являются очень высокими для спонтанных инжекционных излучателей, однако они были реализованы при малых токах: 0.6-1мА(j ~ 1А/см²). Разработчикам мощных полупроводниковых излучателей хорошо известно, что важна не только высокая величина η_e, но и ее постоянство в широком интервале уровней возбуждения, которое, в свою очередь, определяется как механизмом излучательной рекомбинации в активной области, так и конструкцией прибора: эффективностью отвода тепла и минимизацией джоулевых потерь, геометрией контактов, условиями растекания тока. Для традиционных AlGaAs-СИД вопросы оптимизации излучателей с целью достижения предельных выходных параметров достаточно хорошо изучены, что обеспечило возможность их работы до токов ~1А [4]. Иначе обстоит дело с InGaN приборами. На рис.1 приведен сравнительный вид зависимостей внешнего квантового выхода от тока в непрерывном и импульсном режиме работы для синего InGaN-СИД фирмы Nichia (отметим, что приборы, изготовленные другими производителями, демонстрируют сходное поведение) и для красного СИД на основе AlGaAs- гетероструктуры. Для корректности сравнения оба прибора имели идентичную конфигурацию — вывод света без затенения контактами через прозрачную подложку: из сапфира в первом случае и широкозонного твердого

Рис.1. Зависимость внешней квантовой эффективности от тока для InGaN- и AlGaAs-светодиодов 
раствора AlGaAs — во втором. Вид кривых для InGaN- и AlGaAs-светодиодов существенно различается как в непрерывном, так и в импульсном («чистом» от тепловых эффектов) режимах. Из графиков на рис.1 вытекает следующее:
— для InGaN-СИД свечение начинается при малых плотностях тока ~0.001А/см², для AlGaAs-СИД — при плотностях тока на полтора — два порядка больших;
— для InGaN-СИД в диапазоне плотностей тока, занимающем от 2 до 3-х порядков, наблюдается рост внешней квантовой эффективности, а затем ее резкий спад, приходящийся на область токов, имеющую наибольший практический интерес (j ~ 10-1000А/см²), для AlGaAs-СИД характерен медленный выход на предельное значение, обычно достигаемое при j~50-100А/см², затем значение η_e остается практически постоянным до ~1000А/см².

На рис.2 поведение η_e = f(I) для InGaN-СИД, представлено для широкого температурного диапазона 300-550К. Как следует из графиков, при температурах выше 450К исчезает максимум в токовой зависимости η_e, а абсолютные значения снижаются примерно в 5 раз. Спектральные характеристики (для краткости изложения не приведены) демонстрируют значительное голубое смещение с ростом тока — до 10Å/мА в области малых токов и низких температур, которое исчезает при I>50мА или Т>400K, уступая место обычному красному смещению с коэффициентом около 0.3Å/К. Совокупность указанных фактов свидетельствует о том, что эффективный механизм излучательной рекомбинации через локализованные состояния в InGaN-гетероструктуре с одиночной квантовой ямой существует лишь в весьма ограниченном диапазоне плотностей токов до j~1-5А/см², при температурах Т<450K. Выход за эти пределы по плотности тока j приводит к насыщению каналов излучательной рекомбинации, связанных с локализованными

Рис.2. Температурные зависимости ηeот тока для InGaN-светодиода

состояниями, а по температуре Т — к их термической ионизации и, соответственно, к переходу к менее эффективной мезжоной рекомбинации в квантовой яме с высокой плотностью структурных дефектов. Поскольку практически важный диапазон плотностей рабочих токов для СИД составляет десятки — сотни ампер на квадратный сантиметр (для лазеров еще больше), актуальными остаются дальнейшие усилия по совершенствованию InGaN-гетероструктур, способные обеспечить высокие значение η_e, и при больших уровнях возбуждения