Светодиод. Назначение и свойства основных элементов светодиодов

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

Им. В.И. Ульянова (Ленина)

 

Направление	210100– Электроника и микроэлектроника
Кафедра	микро – и наноэлектроники

 

К защите допустить:

Заведующий кафедрой В. В. Лучинин

Д.т.н.

 

 

ВЫПУСКНАЯ

КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

БАКАЛАВРА

 

Тема: Исследование статического распределения основных электрофизических параметров по полупроводниковой пластине со светодиодными чипами на основе нитрида галия

 

Студент				/ Клеймёнов А.А. /
Руководитель	к.т.н., асс.			/Кучерова О.В. /
Консультант по безопасности	доц.			/Трусов А.О. /

 

Санкт-Петербург

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

Им. В.И. Ульянова (Ленина)

 

						УТВЕРЖДАЮ
Факультет	ФЭЛ			Заведующий кафедрой
Кафедра	микро – и наноэлектроники			В. В. Лучинин
				Фамилия И.О.
				«_25_» _апреля_ 2014 г.

 

ЗАДАНИЕ

На выпускную квалификационную работу бакалавра

 

Студент

Клеймёнов Антон Александрович

Группа №

 

1. Тема работы	Исследование статистического распределения основных
электрофизических параметров по полупроводниковой пластине со светодиодными
чипами на основе нитрида галлия
2. Исходные данные (технические требования)	Пластина со светодиодными чипами
чипами на основе GaN, криогенная зондовая станция

 

3. Содержание работы	Обзор информационных источников, описание
технологического процесса, анализ характеристик исследуемых образцов образцов.

 

4. Перечень отчетных материалов	Текст выпускной квалификационной работы,
презентационные материалы
5. Дополнительные разделы	БЖД

 

Дата выдачи задания		Дата представления работы к защите
«_26_» __апреля__ 2014 г.		«_12_» _июня___2014 г.

 

 

Руководитель	к.т.н., асс.			/Кучерова О.В. /
Студент				/ Клеймёнов А.А. /
		«_25_» _апреля_2014 г.

 

Аннотация

 

Данная работа посвящена исследованию электрофизических характеристик светодиодных чипов, и распределение этих характеристик по полупроводниковой пластине. В работе рассматривается конструкция и методы выращивания светодиодов. Описаны методики измерения характеристик наноструктур методами спектроскопии адмиттанса. С помощью данных методов получены результаты, из которых в последствии выведены электрофизических характеристик светодиодных чипов.

 

 

Оглавление

ВЫПУСКНАЯ.. 1

КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА.. 1

Сокращения. 5

 

 

Сокращения

 

Светодиоды.

Светодиод. Назначение и свойства основных элементов светодиодов.

Светодиод — полупроводниковый источник некогерентного оптического излучения, принцип действия которого основан на явлении электролюминесценции при инжекции неосновных носителей заряда через гомо- или гетеро- p-n переход [1]. В настоящее время производятся

светодиоды видимого, ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов.

 

Рисунок 1.1 Основные элементы конструкции мощного светодиода.

 

Светодиод состоит из полупроводникового светоизлучающего чипа, корпуса, проволочных выводов, соединяющих электрически светодиодный чип и электрическую разводку корпуса, материала-фиксатора чипа в корпусе — клея или адгезива, или материала припоя в случае

использования flip-чипов, оптического полимера или компаунда. Конструкция мощных светодиодов (Рисунок 1.1) дополнительно содержит диод, защищающий светодиод от электростатического разряда.

 

Светодиодный чип.

Светодиодный чип является главным элементом светодиода

(он и является источником света). Чип создаются методом послойной выращивания (с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) определённой полупроводниковой гетероструктуры на выбранном материале подложки. Состав и физические свойства гетероструктуры определяют длину волны излучения светодиодного чипа. Основными материалами, из которых изготавливаются светодиодные чипы, являются соединения GaN, AlN, InN, GaAs, GaP и их твёрдые растворы [2].

В данной работе исследуются чипы на основе GaN выращенные на подожке из сапфира (GaN на сапфире) хотя также бывают чипы, выращенные на кремнии (GaN на Si) и на карбиде кремния (GaN на SiC).

На сапфировой подложке чаще всего выращиваются кристаллы промышленных светодиодов ближнего УФ, синего и сине-зеленого диапазонов.

 

Рисунок 1.2 Структура типичного светодиода на основе гетерострук-тур типа InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами.

 

В первую очередь на подложке выращивается тонкий буферный слой AlN или GaN, а на нем растет уже эпитаксиальная пленка GaN.После буферного слоя AlN, выращивается относительно толстый (порядка нескольких микрон) слой n-GaN, легированный кремнием. Затем идет активный нелегированный слой, состоящий из чередующихся квантовых ям InxGa1-xN (толщиной порядка 3 нм) и барьеров GaN (4-20 нм). Эффективная ширина запрещенной зоны квантовых ям InxGa_1-xN соответствует излучению от голубой до желтой области (450-580нм). Расположенный выше барьерный широкозонный p-AlGaN:Mg (обычно 100 нм) инжектирует дырки и согласует решетку с решеткой верхнего слоя p-GaN: Mg (5 мкм), на который нанесен металлический контакт Ni-Au. Второй металлический контакт (Ti-Al) с нижним слоем n-GaNсоздается после стравливания части структуры [3, 4]. Отсюда видно что структура светодиода является сложной многослойной композицией.

 

Методы выращивания GaN.

Существют несколько методов выращивания структур на основе GaN – такие как:

- выращивание из растворов-расплавов

- метод хлоридно-гидридной эпитаксии

- газо-фазная эпитаксия из паров металлорганических соединений

- молекулярно-пучковая эпитаксия

 

Наибольшее распространение для получения структур на основе GaN получили методы газо-фазной эпитаксии из паров металлорганических соединений и молекулярно-пучковой эпитаксии.

Метод хлоридно-гидридной эпитаксии

Метод основан на эпитаксиальном росте полупроводников, путём термического разложения (пиролиза) металлорганических соединений, содержащих необходимые химические элементы.

Метод газофазной эпитаксии из паров металлорганических соединений (MOCVD) является распространенным коммерческим методом выращивания

эпитаксиальных гетероструктур на основе нитридов галлия. Впервые осаждение слоев этим методом было проведено в 1971 г. Манасевитом [5].

Данный метод позволяет не только строго контролировать процесс донорного и акцепторного легирования пленок GaN, но и выращивать гетероструктуры на основе тройных и четверных твердых растворов.

Метод обеспечивает получение однородных высококачественных слоев соединений большой площади, эффективность управления ростовыми процессами, прецизионный контроль параметрами осаждения, возможность легирования пленки в процессе роста.

 

Молекулярно-пучковая эпитаксия

Молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ)— эпитаксиальный рост в условиях сверхвысокого вакуума. Позволяет выращивать гетероструктуры заданной толщины с моноатомно гладкими гетерограницами и с заданным профилем легирования. Для процесса эпитаксии необходимы специальные хорошо очищенные подложки с атомарногладкой поверхностью[6]. Технология МПЭ была создана в конце 1960-х годов Дж. Р. Артуром и Альфредом Чо. Преимуществом данного метода является возможность создания уникальных наноструктур с очень высокой чистотой, однородностью и малым количеством дефектов.