Моделирование влияния типа проводимости и протекающего тока на основные характеристики многокомпонентных наногетероструктур и светоизлучающих диодов

Введение 6
1 Аналитический обзор литературы 9
1.1 История создания светоизлучающих диодов 9
1.2 Характеристики многокомпонентных наногетероструктур на основе AIIIBV 15
1.3 Светоизлучающие диоды на основе многокомпонентных наногетероструктур 18
1.4 Деградация светоизлучающих диодов 30
1.5 Области применения светоизлучающих диодов 35
1.6 Способы получения эпитаксиальны пленок нитридов металлов третьей групп 43
1.6.1 Молекулярно – лучевая эпитаксия 44
1.6.2 МОС–гидридная технология 46
1.7 Описание теоретических основ моделирования многокомпонентных наногетероструктур AlGaInN. 50
1.7.1 Физические модели, использующиеся в программном продукте SiWindowы 55
2 Экспериментальная часть 58
2.1 Методика проведения компьютерного моделирования 58
2.2 Результаты компьютерного моделирования и их обсуждение 60
3 Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей природной среды 62
3.1 Идентификация опасных и вредных производственных факторов 62
3.2 Санитарно – технические требования 64
3.2.1 Планирование помещения 64
3.2.2 Выбор параметров микроклимата в лаборатории 65
3.2.3 Нормирование освещенности при использовании искусственных и естественных источников света 66
3.2.4 Параметры безопасности при устройстве и эксплуатации коммуникаций 67
3.3 Разработка мер защиты от опасных и вредных производственных факторов 68
3.4 Характеристика лаборатории по пожаровзрывоопасности и опасности поражения электрическим током 69
3.4.2 Эргономические требования к работе с ПЭВМ 76
3.4.3 Визуальные эргономические параметры ПЭВМ 76
3.4.4 Требования к ПЭВМ 77
3.4.5 Требования к организации режима работы с ПЭВМ 79
3.4.6 Профилактика мышечных расстройств 79
3.4.7 Экологическая оценка компьютера как объекта загрязнения окружающей среды 80
3.5 Выводы по безопасности жизнедеятельности и охране окружающей среды 82
Выводы 84
Список использованных источников 85

Введение

Прогресс, достигнутый в разработках и производстве оптоэлектронных полупроводниковых приборов в настоящее время, в первую очередь связан с исполь­ зованием соединений и твердых растворов типа AIIIВVI. Представителями этого класса приборов являются светоизлучающие диоды (СИД).
За последнее десятилетие произошел прорыв в исследованиях и производстве нитридных многокомпонентных гетероструктур, а также приборов на их основе. Одно из наиболее значимых преимуществ этих материалов – широкий диапазон изменения ширины запрещенной зоны от 1,95 до 6,0 эВ в зависимости от состава твердого раствора. Именно поэтому у этих материалов существует значительный потенциал для использования их в коротковолновой, электролюминесцентной, высокотемпературной, высокомощной и высокочастотной электронике. Обширный диапазон изменения ширины запрещенной зоны, сильные связи взаимодействия и высокая теплопроводность GaN и его твердых растворов делают их особенно интересными для применения в оптоэлектронике.
...

1.1 История создания светоизлучающих диодов

Явление люминесценции [1], заключающееся в излучении фотонов твердым телом под воздействием электрического тока, было открыто в начале 20 века. В том, что электролюминесценция может происходить при комнатной температуре, и заключается ее главное отличие от теплового свечения, являющегося электромагнитным излучением видимого диапазона оптического спектра, испускаемым материалами, нагретыми до высокой температуры, обычно большей 750 °С.
В 1907 г. Хенри Джозеф Раунд проверял возможность применения кристаллов карбида кремния в качестве выпрямляющих твердотельных детекторов. Позднее эти детекторы получили название «кристаллических детекторов». Их использовали как демодуляторы радиочастотных сигналов в первых радиоприемниках. Работа кристаллических детекторов была впервые продемонстрирована в 1906 г.
При работе с кристаллами карборунда Раунд заметил испускаемое ими свечение. Именно с этого момента фактически начинается история СИД.
...

1.2 Характеристики многокомпонентных наногетероструктур на основе AIIIBV

Нитриды AIIIBV и их твердые растворы [3], как отмечалось ранее, представляют класс материалов с некоторыми особенными свойствами, такими как большой диапазон изменения ширины запрещенной зоны (Eg), спонтанная поляризация (СП) и пьезоэлектрический эффект (ПЭ), в соответствии с рисунком 2.

Рисунок 2 – Cпонтанная поляризация

Отличие нитридных элементов III группы – AIIIN – это рекордные величины СП и компонент ПЭ тензора. Они приводят к сильным внутренним электрическим полям, до 105 –107 В/см, которые могут быть также следствием рассогласования постоянных кристаллических решеток, а также к формированию дефектов и к особенным оптическим свойствам. Превосходная физическая и химическая стабильность нитридных полупроводников позволяет использовать их в агрессивных средах.
...

1.3 Светоизлучающие диоды на основе многокомпонентных наногетероструктур

Источники оптического излучения весьма разнообразны. Однако большинство из них не удовлетворяют всей совокупности современных требовании и находят применение лишь в отдельных устройствах, главным образом в индикаторных приборах.
При оценке перспективности того или иного источника определяющую роль играет агрегатное состояние активного светящегося вещества или вещества, заполняющего рабочий объем. Из всех возможных вариантов – вакуум, газ, жидкость, твердое тело – предпочтение отдается твердотельному, а "внутри" него – монокристаллическому как обеспечивающему наибольшую долговечность и надежность приборов. Одними из твердотельных источников оптического излучения являются СИД, основанные на принципе спонтанно инжекционной электролюминесценции.
При подаче прямого смещения концентрация неосновных носителей у границ р–n–перехода резко повышается и становится значительно выше равновесной.
...

1.4 Деградация светоизлучающих диодов

Стремительное развитие технологии производства МКНГ и СИД в последние годы привело к значительным успехам в области повышения качества приборов на их основе. Существенно увеличилось число различных конструкций и типов серий производимых кристаллов, изготовленных на основе эпитаксиальных МКНГ твердых растворов AlGalnP и AlGaInN, позволяющих создавать источники излучения с любыми необходимыми характеристиками для различных сфер применения. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой его пространственного распределения и с возможностью получения любого цветового оттенка в широком динамическом диапазоне интенсивностей излучения открывают огромные перспективы использования СИД на основе этих структур в качестве источников света для различных устройств.
...

1 Шуберт Ф.Е. Светоизлучающие диоды – Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2008.–496 с.
2 Бахтизин Р.З. Голубые диоды // Соросовский образовательный журнал. – 2001. –т.7.–No3. –С. 75–83.
3 Рабинович О.И. История изучения многокомпонентных гетероструктур на основе AlInGaN//КиТ.–2012.–№7–С.160–167.
4 S.Nakamura, G.Fasol. The Blue Laser Diode. Springer, Berlin, 2013, 343 p.
5 B.Gil. Group III Nitride Semiconductor Compounds: Physics and Applications. Clarendod Press, Oxford, 2014, 459 p.
6 K. Pakula, C.T. Foxon, T.S. Cheng. Lattice parameters of gallium nitride // Appl. Phys. Lett. 69(1), 2012, p.73–75.
7 M.FLi, T.C,Chong, J.B.Xia. Electronic properties of zinc–blende GaN, AIN, and their alloys GaAlN // J.Appl. Phys. 79(1), 2011, p. 188–194
8 Levinshtein М.Е., Rumyantsev S.L., Zubrilov A. Properties of Advanced Semiconductor Materials GaN, AIN, InN, SiC, SiGe //John Wiley & Sons, Inc., New York, 2014, p. 1–30.
9 Pankove J.I., Bloom, S., Harbeke, G. // RCA Rev., 36 (1975) p. 163.
10 Levinshtein M.E., Rumyantsev S.L., Shur M.S. // John Wiley & Sons, Inc., New York, 2013,1–30.
11 Manchon, D.D., Barker, A.S., Zetterstrom, R.B. // Solid State Commun,8(1912) p. 1227
12 Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Том 1 – 2 , «Мир», Москва, 1984 г.
13 Mocc T. Полупроводниковая оптоэлектроника. «Мир», Москва, 1976 г.
14 Агафонов Д. Р., Мурашова М. А., Столяревская Р. И. // Исследования визуального восприятия красных железнодорожных светофоров на основе СИД. «Светотехника» № 6 (2013 г.) стр.22
18 Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Полупроводниковые приборы, «Лань», Москва, С. – П., Краснодар, 2013 г,
19 S.–H.Wei, A.Zunger. Calculated natural band offsets of all II–VI and III–V semiconductors: Chemical trends and the role o f cation d orbitals. Applied Physics Letters, V ol.72, N16 (2014) pp.2011–2013.
20 F.Bemardini, V.Fiorentini. Macrosopic polarization and band offsets at nitride heterojunctions. Physical Review B, Vol.57, N 16 (2015) pp.R9427–R9430.
21 T.Takeuchi, S.Sota, M.Katsuragawa, Quantum–Confined Stark Effect due to Piezoelectric Fields in GaInN Strained Quantum Wells. J.Appl.Phys.Vol.36 (2014) pp.382–385.
22 Amato et al. Patent Number 5,496, 766. Mar. 5,2016
23 Nakamura et al. Patent Number 5,306, 662. Apr. 26,2014
24 E. L. Piner, F. G. Mclntosh, N. A. El–Masry, etc. Growth and Properties of InGaN and AlInGaN Thin Films on (0001) Sapphire // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 1,2016, 43
25 Wagner J., Ramakrishnan А., Behr D., etc. Composition dependence of the band gap energy of InxGal–xN layers on GaN (x < 0.15) grown by metal– organic chemical vapor deposition // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1,G2.8,2011.–6C.
26 Chichibu S.F., Sota Т., Wada K., etc. Spectroscopic studies in InGaN quantum wells. // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1, G2.7, 2015. –14 c.
27 Chiu S.–Y, Anwar A.F.M., Wo S. Base transit time in abrupt GaN/InGaN/AlGaN HBTs // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1, G6.7,2015.
28 N.M. Smidt, P.S. Vergels, E.B. Yakimov. EBIC characterization of light emitting structures based on GaN // Semicon, 2014, v 41. 4
29 R.L. Anderson. IBM. J. Res. Dev. v.4, 2011, p.283; R.L. Anderson. Solid State Electron., v.5,2013, p.31
31 Takeshi Uenoyama Optical gain spectra in InGaN/GaN quantum wells with the compositional fluctuations // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1,G2.9,2013.–6 с
32 Н.И Бочкарева, А.А. Ефремов, Ю.Т. Ребане, Р.И. Горбунов, А.В. Клочков, Ю.Г. Шретер. Неоднородность инжекции носителей заряда и деградация голубых светодиодов // ФТП, 2006, том 40, вып. 1, с. 122– 127
33 С. Никифоров. Температура в жизни и работе светодиодов. Часть 1 // Компоненты и технологии. 2015, No9, с. 140–146
34 С. Никифоров. Температура в жизни и работе светодиодов. Часть 2 // Компоненты и технологии. 2015, No8, с. 18–23
35 Sakharov A.V., Lundin W.V., Usikov А., etc. Heterostructure for UV LEDs based on thick AlGaN layers // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 3, 28,2010.–4 с.18–22
36 Н.C, Грушко, Н.В. Дуванова, Е.А. Логинова. Структуры InGaN/SiC с модулированным легированием // Ученые записки Ульяновского государственного университета. Сер. Физическая. 2014, вып. 1(16), с.30–39
37 А.Н. Туркин. Катодолюминесценция гетероструктур на основе нитрида галлия // 2–nd Russian Conference "Gallium, Aluminium and Indium Nitrides", Febr. 2003.
38 M.A. Reshchikov, G.–C. Yi, B.W. Wessels. Defect Luminescence in Heavily Mg Doped GaN // 2–nd Russian Conference "Gallium, Aluminium and Indium Nitrides", Febr. 2013.
39 H. Witte, A. Kritschil, M. Lisker et al. Defect States in SiC/GaN –and SiC/AlGaN/GraN –Heterostructures Characterized by Admittance and Photocurrent Spectroscopy // 2–nd Russian Conference "Gallium, Aluminium and Indium Nitrides", Febr. 2013.
40 N.A. Shapuro, Piotr Perlin et al. The effects of indium concentration and well–thickness on the mechanism of radiative recombination in InxGa1–xN quantum wells // MU–NSR, V.5, Art.l
41 A.H. Грузинцев, A;H. Редькин, В.И. Тации. Элементарные полосы голубого свечения нелегированных пленок нитрида галлия // ФТП, 2014, том. 38, вып. 9, с.1039–1042
42 R. Cingolani, G. Goli et al. Optical properties of GaN/AlxGal–xN quantum wells // Phys. Rev. B, 2014 V. 56, N 3, p. 1491–1495
43 Y. Narukava, Y. Rfwakami, S. Fujita. Recombination dynamics of Localized exitons in Ino.2Gao.8N–Ino.05Gao.95N multiple quantum wells // Physical Review B, 2010, V. 55, N4, p. R1938–R1941
44 B.B. Криволапчук, A.B. Насонов, С.Н. Родин. Фотолюминесценция объемных кристаллов GaN, легированных Еu // ФЭжТТ, 2013, том 45, вын. 9, с. 1556–1559
45 S.F. Chichibu, Т. Sota, К. Wada et al. Spectroscopic studies in InGaN quantum Wells // MJ–NSR, V. 1, Art. 2
46 B. Monemar, J.P. Bergman, J. Dalfors et al. Mechanism for Radiativ Recombination in In0,15Ga0.85N/GaN Multiple Quantum Well
47 K. Fukui, S. Hamada, S. Naje et al. Photo Luminescence and Photo Luminescence Exitation Spectra of AIN // International Workshop on Nitride Semiconductors 2016, October 22–27,2016, Kyoto, Japan, p.442
48 Y. Honda, M. Yamaguchi, N. Sawaki. Series resistance in GaN/AlGaN/n–Si Structure Grown by MOVPE // International Workshop on Nitride Semiconductors 2016, October 22–27,2006, Kyoto, Japan, p.457
49 Kwon М.К., Lim K.Y., Nahm K.S. The growth and characterization of GaN films grown with Al pre–seeded A1N Buffer on SiC/Si(l 11) Substrates // Phys. Stat. Sol. – 2012. – V 0. – No 1. – P. 137–142.
50 Komiak James J., Lichwalla Stephen J., Shealy James R. AlGaN/GaN high electron mobility transistors on Si(111) substrates // IEEE Trans. Electron Devices. – 2011. – V. 48. – No 3. – P. 420–426.
51 István Réti1 , Antal Ürmös // H. J. of Appl. Phys. 116, 2014 – P.43.
52 K. W. Park, C. Y. Park, Sooraj Ravindran // S.C. Appl. Phys. 116, 2014 – P.116.
53 Kosei Takahashi , Toshiro Hayakawa, Masahiro Hosoda // J. Journal of Crystal Growth 95, 1989 – P.304.
54 S. Orsila, Toshiro Hayakawa // F. Journal of Crystal Growth 227, 2001 – P.251.
55 Хайруллин Р. Р. Рентгеноструктурные исследования пленок Co, полученных методом CVD / С. И. Доровских // Сборник научных трудов III Международной научно–технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике», Томск, 26–28 марта 2014. – С. 160–164.
56 Yu–Li Tsai, Ray–Hua Horng // S.C. Journal of Crystal Growth 311, 2009 – P.3225.
57 N. Armani, G. Abagnale // Fr. Journal of Crystal Growth 84, 2015 – P.36.
58 P. Gavrilovic, F.P. Dabkowski // P. Journal of Crystal Growth 93, 19889 – P.427.
59 J.R. Dong , J.H. Teng, S.J. Chua// Chn. Journal of Crystal Growth 281, 2005 – P.225.
60 Shimada Jt. Kawakami Y., and Fujita S. «Development of lighting goggle with power white LED modules» SPIE Photonics West: Light Emitting Diodes: Research,– Manufacturing, and Applications, 4996, 174, San Jose, January 28—29 (2003)
61 V. Rakovics, А.Н. Именков, В.В. Шерстнев// Р.Ф. Физика и техника полупроводников. 48, 2014 – С.12.
62 Huanting Chen, Yijun Lu // S.C. Appl. Phys. 52, 2011 – P.295.
63 Ambacher О. Growth and applications of group Ш–nitrides. J. Phys. D: Appl. Phys. 2011.–V . 31.
64 Schubert E,F., Wang Yi–H., Cho A. Y., Tu L.–W., and Zydzik G.J. «Resonantcavity lightemitting diode» Appli Physt Lett. 60, 921 (2012)
65 R Herzog A. 1–1., Groves W. 01, and Craford M. G. «Electroluminescence of diffused GaAs diodes with low donor concentrations» J. Appl. Phys. 40, 1830(2009).
66 Wolfe C. M., Nuese Cl, and Holonyak Jr.N. «Growth and dislocation structure of single»crystal Ga(AsN)» J. Appl. Phys. 36, 3790 (2015).
67 Nuese C., Tietjen I., Gannon J., and Gossenberger H.F. «Optimization of electroluminescent efficiencies for vaporgrown GaAsN diodes» J. Electrochem. Soc.: Solid State Sci. 116, 248 (2009).
68 Allen J.W.. Mnncasler ME, and Starkiewicz J. «Electroluminescent devices using harm: injection on gallium phosphide» Sulid State Electronic: 5. 95 (2013)
70 Foster L. and Pilkuhn M. «Electroluminescence near bandgap in GaN containing shallow donor and acceptor levels» Appl. Phys. Lett. 7, 65 (2015).
71 Алферов Ж. И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // ФТП, 1998 Т.32‚ М 1. С.3 ¬– 18.
72 Welker H. «On new semiconducting compounds (translated from German)» Zeitschrift flir Naturforschung 7a, 744 (2012).
73 Pankove J.I. and Berkeyheiser .I.E. «A light source modulated at microwave frequencies» Proc. IRE, 50, 1976 (2012).
74 Nathan M., Dill Jr. F.H., and Lasher G.J. «Stimulated emission of radiation from GaN p–n junctions» Appl. Phys. Lett. 1, 62 (2012).
75 Rupprecht H., Pilkuhn M., and Woodall J.M. «Continuous stimulated emission from GaN diodes at 77 Kt (First report of 77 K cw laser) Proc. IEEE 51, 1243. (2013).
76 Херман M. Полупроводниковые сверхрешетки / Пер. с англ. Шик А.Я. М.: Мир, 1989.–240 с.
77 Нашельский А.Я. Технология спецматериалов электронной техники. –М.: Металлургия, 2003. – 366 с.
78 Akasaki I. Nitride semiconductors – impact on the future world // J. Cryst. Growth. – 2012. – v. 237–239. – P . 905–911.
79 Stringfellow G.B., Craford M.G. High Brightness Light Emitting Diodes. San Diego:Academic Press, 2016. – 470 p.
80 Winston D.W. SimWindows Semiconductor. Device Simulator. Version 1.5. User’s Manual. Optoelectronics Computing Systems Center at the University of Colorado, Boulder, USA. – 1999. – 40 p.