Optimaliseren van silicon-gedopeerde kwantumbarrières verhoopt helderheid en efficiëntie van acht-periode InGaN/GaN blauwe LEDs

Samenvatting

We onderzochten acht-periode In_0,2Ga_0,8N/GaN kwantumputten (QWs) in blauwe licht-emitterende diodes (LEDs) met silicon (Si) doping geïntroduceerd in de eerste twee tot vijf kwantumbarrières (QBs). Epilagen werden gegroeid op 20-paar In_0,02Ga_0,98N/GaN superlattices, dienende als spanning-ontlastingslagen (SRLs), op gepatroneerde saphirsubstraten (PSSs) via lage-druk metal-organische chemische dampafzetting (LP-MOCVD). Temperatuur-afhankelijke fotoluminescentie (PL), stroom-spanning (I-V), licht-uitgang (L-I) en hoog-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) metingen onthulden dat het monster met vier Si-gedopeerde QBs de hoogste drager-lokalisatie-energie (41 meV), de laagste aanvangsspanning (3,27 V), de meest gunstige doorbraakspanning (−6,77 V) en de sterkste lichtuitgang bij hoge injectiestromen vertoonde. De verlaagde barrièrehoogte creëert een zachte insluitingspotentiaal, wat leidt tot betere dragerverdeling, onderdrukte Auger-recombinatie en hogere stralende efficiëntie. Deze bevindingen tonen aan dat een vier-QB Si-dopingschema effectief het kwantum-beperkte Stark-effect (QCSE) tegengaat en de optische prestaties van InGaN/GaN blauwe LEDs verbetert.

Achtergrond

Silicon-doping in GaN QBs schermt polarisatievelden af, daarbij het kwantum-beperkte Stark-effect (QCSE) in InGaN/GaN QWs onderdrukkend. Deze onderdrukking versterkt de excitoon-stralende recombinatie aanzienlijk, zoals gerapporteerd in diverse studies [1], [2]. In ternaire InGaN-legeringen creëren compositiefluctuaties en spinodale fase-scheiding indium-rijke clusters die fungeren als diepe vallen voor dragers, maar ook als krachtige lokalisatieplaatsen die niet-stralende recombinatie verminderen. Rekening houden met indium-inhomogeniteit is essentieel voor accurate modellering van interne kwantumefficiëntie (IQE), externe kwantumefficiëntie (EQE) en stroom-spanningskarakteristieken.

Si-gedopeerde QBs hebben aangetoond de nano-structuur van QWs te wijzigen, thermische stabiliteit te bevorderen, lichtuitgangsvermogen te verbeteren en electrostatische-ontladingsprestaties te verbeteren naarmate het dopingsniveau toeneemt. Ze blokkeren ook gatentransport, waardoor recombinatie gedwongen wordt in de putregio tussen p-GaN en de gedopeerde barrières. Recente rapporten geven aan dat 9–12 QW-perioden op PSSs aanzienlijke verbeteringen in helderheid en EQE-daling opleveren. Daarom is het optimaliseren van het aantal en de dikte van Si-gedopeerde QBs cruciaal voor het maximaliseren van hoge-stroom blauwe-LED-prestaties.

Experimentele Methoden

Figuur 1 toont de epitaxiale structuur van de gefabriceerde blauwe-LED-chips. Epilagen werden gedeponeerd op c-vlak PSSs (piramidehoogte 1,5 µm, interval 1 µm) met een horizontale LP-MOCVD-reactor. Precursors omvatten TMGa, TMIn, TMAl, NH₃, SiH₄ (voor Si) en Cp₂Mg (voor Mg). Dragergassen waren een 1:1 mengsel van H₂ en N₂. Een 3-µm ongedopeerde GaN-buffer werd gevolgd door een 3,3-µm n-GaN-laag gedopeerd tot 10¹⁹ cm⁻³. Twintig 2/2 nm In_0,02Ga_0,98N/GaN superlattice-paren dienden als SRLs. Het actieve gebied bestond uit acht 2,5-nm In_0,2Ga_0,8N QWs gescheiden door 8-nm GaN QBs, gegroeid bij 750 °C (QWs) en 900 °C (QBs). Si-doping (≈3×10¹⁷ cm⁻³) werd toegepast op de eerste twee (monster A), drie (monster B), vier (monster C) of vijf (monster D) QBs. Een 20-nm Al_0,16Ga_0,84N elektronen-blokkeringslaag (EBL) en een 100-nm p-GaN vensterlaag (10¹⁹ cm⁻³) werden gegroeid bij 950 °C. Mesa-type apparaten (1 mm²) werden gedefinieerd door ICP-etsen, met ITO-transparante contacten en Cr/Pt/Au ohmische lagen.

Elektrische karakteristieken (I-V, L-I) werden gemeten van 20 mA tot 300 mA bij kamertemperatuur. Temperatuur-afhankelijke PL (10–300 K) gebruikte een 325-nm He-Cd laser (45 mW). HRTEM-beeldvorming werd uitgevoerd met een 300 kV FE-TEM.

Resultaten en Discussie

Figuur 2 toont de temperatuur-afhankelijke PL-spectra. Alle monsters vertonen de verwachte quenching met stijgende temperatuur door toegenomen niet-stralende processen. Gaussiaanse fitting van de PL-pieken (Figuur 3) onthult dat Si-gedopeerde QBs een blauwverschuiving induceren ten opzichte van de ongedopeerde referentie, wat effectieve QCSE-onderdrukking bevestigt. Het Varshni-type model past de S-vormige temperatuurafhankelijkheid, wat lokalisatie-energieën oplevert van 24 meV (A), 28 meV (B), 41 meV (C) en 13 meV (D). Monster C, met vier Si-gedopeerde QBs, toont de sterkste lokalisatie, correlerend met superieure stralende recombinatie.

I-V curven (Figuur 4) tonen aan dat monster C de laagste aanvangsspanning (3,27 V) en de hoogste doorbraakspanning (−6,77 V) bereikt. De verlaagde QB-barrièrehoogte in dit monster creëert een gladder insluitingspotentiaal, wat Auger-recombinatie en dragerlekken vermindert. L-I metingen (Figuur 5) bevestigen dat monster C de hoogste lichtuitgang levert bij 300 mA, met minimale verzadiging, terwijl monster C lijdt onder de zwakste insluiting en laagste uitgang.

HRTEM-afbeeldingen (Figuren 6–8) illustreren de laagstructuur en compositie-variaties. Monster C vertoont meer diffusieve QW/QB-interfaces, wat interdiffusie aangeeft die de potentiaalbarrière verzacht en de dragerverdeling verbetert. Indium-rijke clusters en geassocieerde spanning-ontspanning worden in alle monsters waargenomen, maar de meest uitgesproken lokalisatie treedt op in monster C. Threading-dislocaties zijn afwezig in alle monsters, wat de hoge kristallijke kwaliteit benadrukt die wordt geboden door PSSs en SRLs.

Conclusies

Onze systematische studie toont aan dat het introduceren van Si-doping in de eerste vier QBs van een acht-periode In_0,2Ga_0,8N/GaN-structuur de meest gunstige optische en elektrische prestaties oplevert. De resulterende zachte insluitingspotentiaal, verbeterde dragerlokalisatie en verminderde QCSE onderdrukken gezamenlijk Auger-processen en lekkage, wat de lichtuitgang onder hoge injectie verhoogt. Deze inzichten bieden een duidelijke weg voor het optimaliseren van Si-gedopeerde QBs in hoge-efficiënte blauwe LEDs.

Afkortingen

Al

Aluminium

Cp₂Mg

Bis-cyclopentadienyl magnesium

EBL

Elektronen-blokkeringslaag

EQE

Externe kwantumefficiëntie

FE-TEM

Veld-emissie transmissie-elektronenmicroscopie

Ga

Gallium

HRTEM

Hoog-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie

ICP

Inductief gekoppelde plasma

In

Indium

IQE

Interne kwantumefficiëntie

ITO

Indium-tin-oxide

I-V

Stroom-spanning

L-I

Licht-uitgang versus injectiestroom

LP-MOCVD

Lage-druk metal-organische chemische dampafzetting

Mg

Magnesium

N

Stikstof

n-GaN

n-type GaN

NRCs

Niet-stralende recombinatiecentra

PL

Fotoluminescentie

PSSs

Gepatroneerde saphirsubstraten

PZ

Piezo-elektrisch

QBs

Kwantumbarrières

QCSE

Kwantum-beperkt Stark-effect

QWs

Kwantumputten

RT

Kamertemperatuur

Si

Silicon

SiH₄

Silaan

SRLs

Spanning-ontlastingslagen

TCL

Transparante contactlaag

TMAl

Trimethylaluminium

TMGa

Trimethylgallium

TMIn

Trimethylindium

u-GaN

Ongedopeerde GaN