Verbetering van InGaN/GaN μLED-efficiëntie door dunnen kwantumbarrières om oppervlakterecombinatie te verminderen

Samenvatting

Vanwege de hoge oppervlakte-volumeverhouding lijden InGaN-gebaseerde micro-lichtemitterende diodes (μLED's) sterk onder oppervlakterecombinatie geïnduceerd door zijwanddefecten. Bovendien, naarmate de chipsize afneemt, zal de stroomverspreiding corresponderend toenemen, wat de ladingsdragerinjectie en de externe kwantumefficiëntie (EQE) verder beperkt. In dit werk stellen we voor de niet-stralende recombinatiesnelheid bij zijwanddefecten te verminderen door het stroomverspreidingseffect te managen. Hiervoor verlagen we de verticale resistiviteit door de kwantumbarrièredikte te verminderen, zodat de stroom minder horizontaal verspreid wordt naar zijwanddefecten. Als gevolg worden veel minder ladingdragers verbruikt via niet-stralende oppervlakterecombinatie. Onze berekende resultaten tonen aan dat de onderdrukte oppervlakterecombinatie de gat-injectie-efficiëntie gunstig beïnvloedt. We fabriceren ook μLED's gegroeid op Si-substraten, en de gemeten resultaten zijn consistent met de numerieke berekeningen, zodat de EQE voor de voorgestelde μLED's met passend dunne kwantumbarrières verbeterd kan worden, dankzij het verminderde stroomverspreidingseffect en de verminderde oppervlakterecombinatie.

Inleiding

Vanwege de kenmerkende eigenschappen van hoge helderheid, laag stroomverbruik en lange operationele levensduur, hebben III-nitride-gebaseerde lichtemitterende diodes (LED's) uitgebreid onderzoeksinteresse gekregen. Tot nu toe is enorme vooruitgang geboekt voor grootformaatinGaN/GaN blauwe LED's die gecommercialiseerd zijn en toepassingen vinden in vaste-staatverlichting en grootformaatpaneldisplay's. Echter, conventionele InGaN/GaN LED's hebben een kleine modulatiebandbreedte, waardoor ze ongeschikt zijn voor bijvoorbeeld zichtbare-lichtcommunicatie (VLC). Tegelijkertijd maakt de grote chipsize de pixelcapaciteit laag voor bijvoorbeeld mobiele telefoondisplay's, draagbare horlogedisplay's. Daarom trekken InGaN/GaN micro-LED's (μLED's) met chipsize kleiner dan 100 μm op dit moment uitgebreide aandacht. Ondanks de voordelen zijn er nog veel kwesties op te lossen voor de verdere ontwikkeling van μLED's, zoals hoge-precisie massatransfer en grootte-afhankelijke efficiëntie. De grootte-afhankelijke efficiëntie ontstaat door oppervlakteschade veroorzaakt door droogetsen bij het maken van mesa's, waardoor grote aantallen defecten ontstaan die leiden tot niet-stralende oppervlakterecombinatie. Let op, voor verschillende typen opto-elektronische apparaten zijn kristallijne kwaliteit en ladingstransport essentiële parameters die de foto-elektronische eigenschappen beïnvloeden. Uniek voor μLED's kan de oppervlakterecombinatie bij gedefecteerde gebieden de interne kwantumefficiëntie (IQE) aanzienlijk verminderen. Onlangs vonden Kou et al. dat naarmate de chipsize afneemt, gaten makkelijker door defecten gevangen worden en de gat-injectiemogelijkheid zelfs erger kan worden voor μLED's met afnemende chipsize. Het is dus belangrijk om de zijwanddefectdichtheid te verminderen. Een handige methode om zijwanddefecten te passiveren is het depositieren van een dielectrische passivatielaag, wat haalbaar is met plasma-geassisteerde chemische dampdepositie (PECVD) of atoomlaagdepositie (ALD). Getoond is dat de dielectrische passivatielaag beter zijwanddefecten kan annihileren met ALD-techniek vanwege de nog betere kwaliteit van de gegroeide laag. Het aantal zijwanddefecten kan verder verminderd worden door thermisch aanlassen van de passivatielaag, wat verbeterde EQE toont zelfs voor de 6 μm × 6 μm μLED. Zoals bekend kan de stroomverspreiding nog beter worden wanneer de chipsize verder afneemt vanwege de verminderde laterale resistiviteit. Daarom stellen we voor de verticale resistiviteit te verminderen om de stroom beter binnen de mesa's te beperken, wat de ladingdragers van zijwanddefecten houdt en helpt de oppervlakterecombinatie te onderdrukken.

Daarom, om het doel te bereiken, stellen we voor de dikte van kwantumbarrières te verminderen om de energiebarières en de verticale weerstand te managen. Onze numerieke berekeningen tonen aan dat de stroom meer lateraal binnen de mesa kan worden beperkt, wat de gatverbruik door oppervlakterecombinatie vermindert. De verminderde oppervlakterecombinatie helpt ook de gat-injectie te faciliteren volgens ons eerdere rapport. Bovendien homogeniseren de gedunte kwantumbarrières de gatverdeling over de meervoudige kwantumputten (MQW's). Experimentele resultaten geven aan dat de EQE voor μLED's met verminderde kwantumbarrièredikte verbeterd is.

Onderzoeksmethoden en fysicamodellen

Om de effectiviteit van de voorgestelde structuren in het onderdrukken van oppervlakterecombinatie, het bevorderen van gat-injectie en het verbeteren van de EQE voor InGaN-μLED's te bewijzen, zijn verschillende sets μLED's ontworpen, gegroeid op [111] georiënteerde Si-substraten met behulp van een metal-organische chemische dampdepositie (MOCVD) systeem. Alle apparaten hebben een 4-μm dikke n-GaN-laag met een elektronenconcentratie van 5 × 10¹⁸ cm⁻³. Vervolgens worden vier-paren In_0.18Ga_0.82N/GaN MQW's gebruikt om fotonen te produceren. De structurele informatie is gepresenteerd in Tabel 1. Vervolgens fungeert een 26-nm dikke p-Al_0.15Ga_0.85N-laag als p-type elektronblokkerlaag (p-EBL), waarvoor de gatconcentratie 3 × 10¹⁷ cm⁻³ is. De p-EBL wordt vervolgens afgedekt met een 100-nm dikke p-GaN-laag met een gatconcentratie van 3 × 10¹⁷ cm⁻³. Ten slotte worden beide μLED-monsters bedekt door een 20-nm p-GaN-laag. Alle onderzochte InGaN-gebaseerde blauwe μLED's hebben een chipdimensie van 10 × 10 μm². Een 200 nm ITO-laag wordt gebruikt als stroomverspreidingslaag, geanneald bij 500 °C gedurende 120 s om ohmisch contact te maken met de p-GaN-laag. Vervolgens wordt Ti/Al/Ni/Au-legering gelijktijdig op de stroomverspreidingslaag en de n-GaN-laag gedeponeerd als respectievelijk p-elektrode en n-elektrode.

Om de apparaatfysica op diepte te onthullen, worden de onderzochte apparaten berekend met behulp van APSYS, dat drift-diffusievergelijkingen, Schrödinger- en Poisson-vergelijkingen zelfconsistent kan oplossen. De lichtextractie-efficiëntie is ingesteld op 88,1% voor flip-chip apparaten. De energiebandoffsetverhouding tussen het geleidingsband en de valentieband in de InGaN/GaN MQW's is ingesteld op 70:30. Ladingdragerverlies door niet-stralende recombinatie wordt ook overwogen in onze berekeningen, inclusief Auger-recombinatie met een recombinatiecoëfficiënt van 1 × 10⁻³⁰ cm⁶s⁻¹ en Shockley-Read-Hall (SRH) recombinatie met een ladingdragerslevensduur van 100 ns. De niet-stralende recombinatie optredend aan mesa-oppervlakken kan niet genegeerd worden voor μLED's. Voor nauwkeurige modellering van de oppervlakterecombinatie, worden de vallenniveaus voor elektronen en gaten ingesteld op 0,24 eV onder het geleidingsband (E_c − 0,24 eV) en 0,46 eV boven het valentieband (E_v + 0,46 eV), respectievelijk. De vangdoorsnede van 3,4 × 10⁻¹⁷ cm² en de valdensiteit van 1 × 10¹³ cm⁻³ worden ingesteld voor elektronenvallen. De vangdoorsnede van 2,1 × 10⁻¹⁵ cm² en de valdensiteit van 1,6 × 10¹³ cm⁻³ worden ingesteld voor gaten. Andere parameters kunnen elders gevonden worden.

Resultaten en discussie

Bewijs van betere stroombeperking binnen het mesagebied door kwantumbarrières te dunnen voor μLED's

Het is bekend dat een meer gunstige gat-injectie verkregen kan worden wanneer de kwantumbarrières dunner worden. Het is echter niet duidelijk of dunne kwantumbarrières helpen om de stroom binnen mesa's te beperken voor μLED's. Om dit punt te adresseren, hebben we hier μLED's A, B en C, waarvoor de kwantumbarrièrediktes, volgens Tabel 1, ingesteld zijn op 6 nm, 9 nm en 12 nm respectievelijk. Om de impact van oppervlakterecombinatie op de ladingdragerverspreiding uit te sluiten, beschouwen we geen vallen in de mesa-periferie voor de onderzochte μLED's. Figuur 1 toont de berekende EQE en optische vermogen in functie van de injectiestroomdichtheid voor μLED's A, B en C respectievelijk. Zoals getoond in Fig. 1, nemen zowel de EQE als het optische vermogen toe wanneer de kwantumbarrièredikte verminderd wordt, zodat de EQE-waarden voor μLED's A, B en C 28,8%, 24,0% en 22,2% zijn bij 40 A/cm².

Figuur 2 toont de gatconcentratieprofielen in het MQW-gebied voor μLED's A, B en C bij de stroomdichtheid van 40 A/cm². We zien dat wanneer de kwantumbarrièredikte verminderd wordt, de gatconcentratie in de kwantumputten toeneemt. Tegelijkertijd kan de ruimtelijke uniformiteit van de gatverdeling in de vier kwantumputten ook verbeterd worden. Daarom zijn de bevindingen hier voor μLED's consistent met die voor grootformaat LED's, zodat passend dunne kwantumbarrières het gattransport kunnen bevorderen. Zoals vermeld, kan de stroom minder naar de mesakant verspreid worden wanneer dunne kwantumbarrières worden toegepast. We presenteren dan de laterale gatverdeling in de eerste kwantumput het dichtst bij de p-EBL in Fig. 3a. We vinden dat de gatconcentratie afneemt langs de laterale positie verwijderd van de p-elektrode. We berekenen dan het dalingsniveau voor gaten, gedefinieerd als p_links-p_rechts/p_links. Hier zijn p_links en p_rechts aangeduid als de gatconcentratie aan de linkerkant en rechterkant van de mesa, respectievelijk. De dalingsniveaus zijn 10,7%, 10,3% en 9,8% voor μLED's A, B en C respectievelijk. Voor betere illustratie normaliseren we de laterale gatconcentratie die afgebeeld is in Fig. 3b. Het toont ook dat het dalingsniveau toeneemt naarmate de kwantumbarrière dunner wordt.

We tonen dan de energiebandiagrammen voor μLED's A, B en C in Fig. 4a–c. Het illustreert dat de valentiebandbarrièrhoogtes voor alle kwantumbarrières afnemen wanneer de kwantumbarrièredikte afneemt. De verminderde valentiebandbarrièrhoogte kan het gattransport door het MQW-gebied beter faciliteren, wat consistent is met Fig. 2. Aan de andere kant, wanneer de kwantumbarrières gedund worden, wordt een verminderde verticale resistiviteit gegenereerd. Volgens het rapport van Che et al., wanneer de verticale weerstand verminderd wordt, kan de laterale stroomverspreiding onderdrukt worden zodat de stroom neigt van de mesakant af te blijven. Deze speculatie wordt ook bewezen wanneer we naar Fig. 3a en b verwijzen.

Zoals hierboven vermeld, zal de stroomverspreiding verbeterd worden door het verdikken van kwantumbarrières, wat zeker de ladingdragerecombinatieprocessen zal beïnvloeden. We tonen dan de verhoudingen tussen de SRH-recombinatie en de stralende recombinatie aan de rand van de mesa's (zie Fig. 5). De verhouding wordt berekend met \( {R}_{\mathrm{SRH}}/{R}_{\mathrm{rad}}={\int}_0^{{\mathrm{t}}_{\mathrm{M}\mathrm{QW}}}{R}_{\mathrm{SRH}}(x)\times \mathrm{dx}/{\int}_0^{{\mathrm{t}}_{{{}_{\mathrm{M}}}_{\mathrm{QW}}}}{R}_{\mathrm{rad}}(x)\times \mathrm{dx} \), waar R_SRH(x) de SRH-recombinatiesnelheid voorstelt, R_rad(x) de stralende recombinatiesnelheid aanduidt, en t_MQW de totale dikte is voor het MQW-gebied. Figuur 5 toont dat de verhoudingen van R_SRH/R_rad zowel aan de rand van de mesa afnemen naarmate de kwantumbarrièredikte toeneemt, wat betekent dat de stralende recombinatiesnelheid verbeterd kan worden door het stroomverspreidingseffect te verbeteren voor ideale μLED-architecturen. Dit betekent dat μLED's een uitstekende stroomverspreiding kunnen bezitten vanwege de opmerkelijk verminderde chipsize. Let op, we hebben nog geen rekening gehouden met oppervlakterecombinatie voor Fig. 5. Daarom kunnen we speculeren dat het veel betere stroomverspreidingseffect voor realistische μLED's de ladingdragerecombinatie kan offeren, wat gemodelleerd kan worden door oppervlakte-imperfecties in rekening te brengen, en gedetailleerde discussies zullen vervolgens worden gevoerd.

Verminderde oppervlakterecombinatie door gebruik van MQW's met dunne kwantumbarrières

Om de impact van de oppervlakterecombinatie op de gat-injectie voor μLED's met verschillende kwantumbarrièrdiktes te onderzoeken, ontwerpen we verder μLED's I, II en III. De structurele informatie van de MQW's voor μLED's I, II en III is identiek aan die voor μLED's A, B en C (zie Tabel 1), respectievelijk, behalve dat oppervlaktedefecten overwogen worden voor μLED's I, II en III, zodat de breedte van het gedefecteerde gebied voor μLED's I, II en III ingesteld is op 0,5 μm vanaf de geetste mesakant.

De numeriek berekende EQE en optische vermogen als functie van de stroomdichtheid worden gedemonstreerd in Fig. 6. Figuur 6 toont dat wanneer oppervlakte niet-stralende recombinatie overwogen wordt, de optische intensiteit aanzienlijk kan afnemen. Dit bevestigt verder dat de oppervlakte niet-stralende recombinatie niet genegeerd kan worden voor μLED's. Tegelijkertijd, in overeenstemming met de waarnemingen in Fig. 1, nemen de EQE en het optische vermogen ook toe wanneer de kwantumbarrièredikte afneemt, bijvoorbeeld μLED I met de dunste kwantumbarrière heeft de grootste EQE en optische vermogen. De experimenteel gemeten EQE voor μLED's I en III worden getoond in inset Fig. 6a, wat dezelfde trend vertoont als de numerieke berekeningsresultaten. Daarnaast meten en tonen we de genormaliseerde elektroluminescentie (EL) spectra voor μLED's I en III in Fig. 6b en c respectievelijk. De piekemissiegolflengte voor alle geteste μLED's is ~450 nm. De gemeten EL kan gereproduceerd worden door onze modellen. Dit geeft aan dat de fysieke parameters die we gebruikt hebben correct ingesteld zijn, bijvoorbeeld het polarisatieniveau en de InN-samenstelling in de MQW's die de emissiegolflengte bepalen, zijn correct ingesteld.

Om het effect van de zijwanddefecten op de gat-injectie-efficiëntie voor μLED's I, II en III te onthullen, worden de gatconcentraties getoond in Fig. 7. Let op, de gatconcentratie in Fig. 7a is gemeten in het middengebied voor de apparaten [zoals aangegeven door de rode pijl in de inset van Fig. 7a]. Figuur 7b toont de gatconcentratie in het gedefecteerde gebied voor de apparaten [zoals aangegeven door de rode pijl in de inset van Fig. 7b]. Zoals Fig. 7a en b illustreren, voor zowel het niet-gedefecteerde gebied als het zijwandgebied, bevordert de verminderde dikte voor kwantumbarrières het gattransport door de MQW's. De resultaten hier zijn consistent met Fig. 2. Verdere vergelijking tussen Fig. 7a en b toont aan dat de gat-injectie-efficiëntie aan de gedefecteerde zijwandgebieden aanzienlijk lager is dan die in het niet-gedefecteerde gebied. De waarnemingen hier stemmen goed overeen met Kou et al., wat verder manifesteert dat het essentieel is om de stroom minder naar de gedefecteerde zijwanden te laten verspreiden door passend de kwantumbarrièredikte te verminderen (zie Fig. 3a en b).

We herhalen dan onze analyse zoals we in Fig. 5 gedaan hebben, de waarden voor welke nu gedemonstreerd worden in Fig. 8. We zien dat de verhouding voor R_SRH/R_rad aan de mesakant toeneemt wanneer de kwantumbarrière verdikt, wat uniek toegeschreven wordt aan de aanzienlijk verhoogde oppervlakte niet-stralende recombinatiesnelheid. Zoals we voorgesteld hebben, laten dikke kwantumbarrières de stroom bij de mesakanten arriveren en de oppervlakterecombinatie triggeren. Als resultaat tonen inset Fig. a–c ook aan dat de oppervlakte niet-stralende recombinatie extreem sterk wordt aan mesakanten. De niet-stralende recombinatiesnelheid aan zijwanden overstijgt zelfs de stralende recombinatiesnelheid.

Conclusies

Samengevat, hebben we numeriek onderzocht en gedemonstreerd de impact van verschillende kwantumbarrièrdiktes op de gat-injectie en de stroomverspreiding voor InGaN-gebaseerde μLED's. De resultaten wijzen erop dat door de kwantumbarrièredikte te dunnen, een betere stroombeperking binnen het mesagebied mogelijk is. Correspondent kan de stroomverspreiding goed beheerd worden om van de mesakanten af te blijven, wat de oppervlakte niet-stralende recombinatie onderdrukt. Zowel numeriek als experimenteel observeren we de verbeterde externe kwantumefficiëntie voor InGaN-gebaseerde μLED's met passend dunne kwantumbarrières. We geloven dat de voorgestelde benadering veelbelovend is voor het wegnemen van de knelpunt die de ontwikkeling van hoog-presterende μLED's beperkt. Bovendien zal de apparaatfysica gepresenteerd in dit werk het begrip van InGaN-gebaseerde μLED's vergroten.

Beschikbaarheid van data en materialen

De data en de analyse in het huidige werk zijn beschikbaar bij de corresponderende auteurs op redelijke verzoek.

Afkortingen

μLED's:

Micro-lichtemitterende diodes

EQE:

Externe kwantumefficiëntie

LED's:

Lichtemitterende diodes

InGaN:

Indium-gallium-nitride

GaN:

Gallium-nitride

VLC:

Zichtbare-lichtcommunicatie

IQE:

Interne kwantumefficiëntie

PECVD:

Plasma-geassisteerde chemische dampdepositie

ALD:

Atoomlaagdepositie

MQW's:

Meervoudige kwantumputten

MOCVD:

Metal-organische chemische dampdepositie

p-EBL:

p-Type elektronblokkerlaag

APSYS:

Advanced Physical Models of Semiconductor Devices

SRH:

Shockley-Read-Hall