The deep-center-assisted tunneling of carriers in p–n structures of light-emitting diodes (LEDs) with InGaN/GaN quantum wells (QWs) makes smaller the effective height of the injection barrier, but leads to a dependence of the radiation efficiency on the density and energy spectrum of defects in GaN. In the case of hopping conduction across the space charge region, the forward voltage mainly drops near the QW boundary, where the density of deep states at the quasi Fermi-level is the lowest. As a result, band bending at the boundary decreases, and, with increasing current, the direction of the electric field also changes, which leads to a weaker confinement of holes, to their non-radiative recombination in the n barrier, and to an efficiency droop. The low efficiency of green GaN LEDs is associated with the dominance of deep centers and insufficient density of shallow centers in the energy spectrum of defects in barrier layers near the boundaries with the QW. The proposed model is confirmed by the stepwise experimental dependences of the current, capacitance and efficiency of green and blue LEDs in the case of forward bias, which reflect the contribution of color centers responsible for the defect photoluminescence bands in GaN.

Представлены результаты исследования зависимостей тока и емкости от прямого смещения диодов Шоттки Au/n-GaN, а также спектров подзонного оптического поглощения и дефектной фотолюминесценции объемных кристаллов и тонких слоев n-GaN. Показано, что туннелирование с участием дефектов является доминирующим механизмом транспорта при прямых смещениях контактов Шоттки на n-GaN. Зависимости тока и емкости от прямого смещения отражают энергетический спектр дефектов в запрещенной зоне n-GaN: рост с энергией плотности глубоких состояний, ответственных за желтую фотолюминесценцию в GaN, и резкий экспоненциальный хвост состояний с урбаховской энергией EU=50 мэВ вблизи края зоны проводимости. Уменьшение частоты перескоков электронов вблизи интерфейса Au/n-GaN приводит к широкому распределению локальных времен диэлектрической релаксации и изменению распределения электрического поля в области пространственного заряда при прямых смещениях. DOI: 10.21883/FTP.2017.09.44888.8528

Показано, что кратковременный джоулев разогрев активной области светодиодов с квантовыми ямами InGaN/GaN до 125 • C при плотности тока 150 A/cm 2 стимулирует изменение энергетического спектра дефектных состояний в запрещенной зоне GaN и увеличение квантовой эффективности.

The mechanism of carrier tunneling through the potential walls of InGaN/GaN quantum well in the p-n structures is studied by means of the deep center tunneling spectroscopy. A number of humps on the current and photocurrent tunneling spectra, as well as on the forward bias dependences of the intensity and the peak energy of photoluminescence band from the quantum well are detected. These findings allow us to propose a model of carrier localization in the quantum well that permit to relate the tunneling transparency of the potential walls of the QW to the space-charge of deep-level centers in the quantum well barriers and its changes under optical excitation and forward biasing of p-n structure.

Механизм влияния дефектов в GaN на эффективность локализации в квантовой яме InGaN|GaN электрически инжектированных носителей заряда исследуется с помощью туннельной спектроскопии глубоких центров. Обнаружено, что зависимости квантовой эффективности и спектральной эффективности излучательной рекомбинации от прямого смещения имеют вид кривых с максимумом и горбами при смещениях, соответствующих примесным зонам центров окраски в GaN. Падение квантовой эффективности с ростом смещения сопровождается голубым сдвигом спектра излучения. Мы объясняем эти эффекты на основе модели локализации носителей в квантовой яме, учитывающей значительный вклад в туннельную проницаемость потенциальных стенок квантовой ямы ионизованных глубоких центров окраски и их перезарядки по мере возрастания прямого смещения. Ключевые слова: нитрид галлия, квантовая яма, локализация носителей заряда, туннелирование, квантовая эффективность, центры окраски.