Оптимальные слои легирования кремнием квантовых барьеров в последовательности роста, формирующие потенциал мягкого ограничения восьмипериодных квантовых ям In0.2Ga0.8N / GaN синего цвета Светодиоды

Фон

Легирование кремнием (Si) в квантовые барьеры (КБ) GaN может вызвать кулоновское экранирование поляризационного поля и вызвать подавление квантово-ограниченного эффекта Штарка (КВШ) в квантовых ямах (КЯ) InGaN / GaN. Излучательная рекомбинация экситонов в квантовых ямах InGaN / GaN может быть значительно усилена за счет использования КД, легированных кремнием [1,2,3,4]. Флуктуации состава индия (In) и спинодального фазового разделения происходят в тройном сплаве InGaN из-за присущей твердофазной зазоры смешиваемости GaN и InN. Формирование кластеров с высоким содержанием In может действовать как сильная локализация носителей, предотвращая ловушки центров безызлучательной рекомбинации (NRC) и облегчая излучательную рекомбинацию экситонов в квантовых ямах InGaN / GaN [5,6,7,8,9,10]. Колебания состава индия в квантовых ямах InGaN / GaN оказывают значительное влияние на поведение устройств, например, на внутреннюю квантовую эффективность (IQE), внешнюю квантовую эффективность (EQE) и вольт-амперные характеристики. Следует учитывать флуктуацию индия в квантовых ямах InGaN / GaN для лучшего объяснения характеристик устройств [11]. КЯ InGaN / GaN с КЯ, легированными кремнием, продемонстрировали свойства модификации наноструктуры материала и образования островков нанометрового размера из-за спирального роста слоев квантовых ям [12], повышения термической стабильности квантовых ям InGaN / GaN [13], улучшение светоотдачи и характеристик электростатического разряда (ESD) светодиода по мере увеличения концентрации легирования в QB [14], простая блокировка переноса дырочных носителей, приводящая к рекомбинации экситонов в ямах между GaN p-типа (p-GaN ) и легированные барьеры [15] и др.

Сообщается о благоприятных периодах и толщине квантовых ям InGaN / GaN для высокой яркости и высокого EQE при высоком токе инжекции (выше нескольких десятков мА) синих светодиодов [16,17,18]. В отчетах девять периодов квантовых ям InGaN / GaN, выращенных на узорчатых сапфировых подложках (PSS), демонстрируют значительное улучшение мощности светового излучения и характеристик спада EQE [16]. Лучшие оптические и электрические характеристики синих светодиодов демонстрируются, если активная область состоит из 12 периодов квантовых ям InGaN / GaN при токе инжекции 42 А / см ² [17]. Очевидное уменьшение спада EQE и улучшение IQE продемонстрировано для толщины QB, уменьшенной с 24,5 до 9,1 нм, в результатах моделирования светодиодов InGaN / GaN [18]. Легирование кремнием необходимой толщины и количества квантовых ям в квантовых ямах InGaN / GaN имеет решающее значение для дальнейшего повышения яркости и эффективности синих светодиодов InGaN, работающих при высоком токе инжекции. В этом отчете мы представляем оптические, электрические и материальные характеристики восьмипериодного In _0,2 Ga _0.8 КЯ N / GaN с первыми двумя-пятью КД в последовательности роста, легированные кремнием синих светодиодов. Результаты дают более глубокое понимание механизмов локализации носителей, потенциала ограничения и QCSE квантовых ям в зависимости от поведения синих светодиодов при высоком токе инжекции.

Экспериментальные методы

На рисунке 1 схематически показаны структуры слоев материала образцов синих светодиодов. Эпитаксиальные слои осаждаются в горизонтальном реакторе системы химического осаждения из паровой фазы (LP-MOCVD) при низком давлении на PSS с ориентацией (0001) (c-плоскость). Диаметр, высота и интервал правильных пирамидальных структур на ФПС составляют 2, 1,5 и 1 мкм соответственно. PSS имеют толщину 3 мкм и предварительно нагреваются до 1150 ° C в среде водорода перед ростом эпитаксиальных слоев. Триметилгаллий (TMGa), триметилиндий (TMIn), триметилалюминий (TMAl) и газообразный NH ₃ используются в качестве парофазных предшественников элементарного галлия (Ga), In, алюминия (Al) и азота (N) соответственно. Силан (SiH ₄ ) и бис-циклопентадиенилмагний (Cp ₂ Mg) являются предшественниками примеси Si и магния (Mg) в веществах n- и p-типа соответственно. Газы-носители прекурсоров - смесь водорода (H ₂ ) и азот (N ₂ ) с соотношением 1:1, который химически неактивен.

Принципиальная схема слоистой структуры изготовленных микросхем синих светодиодов. Эти схематические рисунки толщины эпитаксиального слоя преувеличены для ясности и не в масштабе

На PSS выращивают нелегированный буферный слой GaN (u-GaN), а затем GaN n-типа, легированный кремнием (n-GaN) толщиной 3 и 3,3 мкм. Концентрация легирования n-GaN составляет 10 ¹⁹ см ⁻³ . Двадцать пар In _0,02 Ga _0,98 Затем на n-GaN наносится сверхрешетка N / GaN толщиной 2/2 нм. Он играет роль слоев разгрузки натяжения (ССС), которые используются для уменьшения распространения деформации от эпитаксиальных слоев на ПСС.

Активные слои синих светодиодов содержат восьмипериодный In _0,2 Ga _0.8 КЯ N / GaN. Толщина КЯ и КЯ составляет 2.5 и 8 нм с температурой роста 750 и 900 ° C соответственно. Легирование Si с концентрацией около 3 × 10 ¹⁷ см ⁻³ в первых двух, трех, четырех и пяти QB в последовательности роста обозначены как образцы A, B, C и D соответственно. p-тип Al _0,16 Ga _0,84 Слой блокировки электронов азота (EBL) имеет толщину 20 нм и выращивается при 950 ° C с легированием Mg. слой окна p-GaN и p ⁺ -Контактный слой GaN выращивают при 950 ° C с толщиной 100 и 20 нм, а концентрация легирования составляет 10 ¹⁹ и 10 ²⁰ см ⁻³ .

Эпитаксиальные слои избирательно вытравливаются на слой n-GaN с помощью системы с индуктивно связанной плазмой (ICP) для формирования светодиода мезаструктуры. Прозрачный контактный слой (TCL) оксида индия и олова (ITO) наносится на p ⁺ -GaN с помощью электронно-лучевого испарителя. Слои многометаллических контактных электродов хром / платина / золото (Cr / Pt / Au) впоследствии испаряются на p ⁺ -Слои GaN и n-GaN для хорошего омического контакта. Пластины светодиодов шлифуются и полируются до толщины примерно 120 мкм для нарезания кристаллов. Стандартные светодиодные устройства меза-типа с квадратным кристаллом размером 1 мм ² производятся.

Зависимость тока от напряжения ( I - V ) кривые и светоотдача ( P _вне ) от тока впрыска ( L - Я ) измерены кривые от 20 до 300 мА при комнатной температуре (КТ) диодов. Спектры температурно-зависимой фотолюминесценции (ФЛ) восьмипериодного In _0,2 Ga _0.8 Рассмотрены квантовые ямы N / GaN. Источником возбуждающего света ФЛ является He-Cd лазер (325 нм) со средней мощностью 45 мВт. Изображения, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM), были получены с помощью автоэмиссионного просвечивающего электронного микроскопа EM-3000F (FE-TEM) с ускоряющим напряжением 300 кВ и разрешением 0,14 нм.

Результаты и обсуждение

На рис. 2 представлены спектры ФЛ образцов при различных температурах от 10 до 300 К. Наблюдается монотонное уменьшение интенсивности пика ФЛ с повышением температуры. Это происходит из-за усиления процесса безызлучательной рекомбинации с повышением температуры. Все спектральные профили ФЛ аппроксимируются гауссовыми функциями формы линий для нахождения изменений максимальной энергии пика в зависимости от температуры, как показано на рис. 3. Максимальная энергия пика излучения ФЛ для нелегированного In _0,2 Ga _0.8 КЯ N / GaN составляет 2,68 эВ при комнатной температуре. Это означает, что энергии пиков ФЛ образцов с первыми двумя-пятью КД, легированными кремнием, демонстрируют голубой сдвиг по сравнению с нелегированным. Первые два-пять квантовых ям с легированием кремнием могут эффективно снизить QCSE в квантовых ямах. Следует отметить, что использование PSS и SRL в структурах эпитаксиальных слоев может уменьшить долю пьезоэлектрического (PZ) поля, а также QCSE в In _0.2 Ga _0.8 N / GaN QW.

Температурно-зависимые спектры ФЛ образцов при различных температурах от 10 до 300 К

Зависимость максимальной энергии пика ФЛ от температуры образцов. Наиболее подходящие кривые, использующие уравнение Варшни, показаны жирными и черными сплошными линиями

На рис. 3 могут быть показаны вариации максимальной энергии пика ФЛ в зависимости от температуры, которые имеют S-образные кривые для всех образцов. На S-образных кривых сначала отображается красный цвет, затем синий, а затем красный сдвиг с повышением температуры. Такое поведение объясняется температурно-зависимой коллективной люминесценцией сильных локализованных экситонов в квантовых ямах. Эмпирическое уравнение Варшни, показанное ниже, можно использовать для подбора диапазона сдвига от синего к красному для вариаций S-формы [19,20,21].

где E _g (0), α , β , и σ - подгоночные параметры. E _g (0) - ширина запрещенной зоны КЯ при абсолютной температуре 0 К. α и β - термические коэффициенты, зависящие от материала. σ - параметр гауссова уширения, который физически отражает степень теплового распределения носителей в локализованных состояниях зонного хвоста. Второй член в формуле. (1) указывает на то, что ширина запрещенной зоны полупроводников имеет тенденцию к уменьшению с повышением температуры, и это известно как сокращение запрещенной зоны из-за увеличения амплитуды колебаний атомов. Третий член используется для характеристики степени локализации носителей в зависимости от температуры в предположении невырожденного распределения носителей и гауссовской локализованной плотности состояния. Сильная локализация носителей является ключевым аспектом в реализации увеличения излучательной рекомбинации и IQE в квантовых ямах InGaN из-за улучшения перекрытия между волновыми функциями электронов и дырок. Уравнение Варшни неприменимо в области красного смещения энергии пика ФЛ при низкой температуре из-за сильного вырождения в распределении носителей заряда. Наилучшие результаты подгонки образцов показаны жирными и черными сплошными кривыми на рис. 3. Энергия локализации образцов A, B, C и D составляет 24, 28, 41 и 13 мэВ соответственно. Образец C обладает наибольшей энергией локализации σ (41 мэВ). Локализация носителей заряда в квантовых ямах с четырьмя квантовыми ящиками, легированными кремнием, сильнее остальных. Наименьшая энергия локализации ( σ ) происходит в образце D со значением 13 мэВ.

Ток-напряжение ( I - V ) характеристики при прямом и обратном смещении синих светодиодов показаны на рис. 4. На этом рисунке напряжения включения для образцов A, B, C и D составляют 3,41, 3,47, 3,27 и 4,03 В при прямом токе. 20 мА соответственно. Напряжения пробоя для образцов A, B, C и D составляют -8,85, -9,99, -6,77 и -11,55 В при обратном токе 1 мкА соответственно. Образец C имеет наименьшее напряжение включения и пробоя. Образец D имеет наибольшее напряжение включения и пробоя. Соответственно, более низкая высота барьера QB предлагается в образце C. Мягкий (плавный) ограничивающий потенциал QW ожидается в образце с первыми четырьмя QB, имеющими легирование Si. Профиль потенциала мягкого ограничения подразумевает, что смещения зоны проводимости и валентной зоны квантовых ям не рассматриваются как функции резкого скачка, т.е. не прямоугольный ограничивающий потенциал. Плавные ограничивающие потенциалы могут в значительной степени подавить оже-рекомбинацию и предотвратить накопление большого количества носителей в первых нескольких скважинах в направлении закачки квантовых ям InGaN / GaN [22,23,24]. Плавный ограничивающий потенциал также может быть получен за счет линейного уменьшения состава In вдоль направления роста квантовых ям InGaN / GaN. Это может привести к лучшему распределению носителей между квантовыми ямами и транспортировке дырок, что приведет к улучшению быстрого падения EQE и выходной мощности [25,26,27,28,29,30].

Ток-напряжение ( I - V ) кривые при прямом и обратном смещении диодов

На рисунке 5 показаны измерения выходной мощности света ( P _вне ) светодиодов в зависимости от тока инжекции ( L - Я ) от 0 до 300 мА тестером микросхемы. Увеличение P _вне при повышении тока впрыска на л - Я кривые можно наблюдать. Самый высокий и самый низкий P _вне для высокого тока инжекции показаны на образцах C и D соответственно. Насыщенность P _вне при токе инжекции 300 мА показаны во всех образцах, кроме образца C. Эффект насыщения P _вне относится к току, выходящему за пределы квантовых ям. Меньший ток, протекающий через квантовые ямы, происходит за счет потенциала мягкого ограничения квантовых ям и сильной локализации носителей заряда внутри образца квантовой ямы. Лучшее распределение носителей среди восьми квантовых ям и сильная излучательная рекомбинация носителей внутри квантовых ям проявляются в образце с четырьмя квантовыми ящиками, содержащими легирование кремнием.

Выходная мощность света ( P _вне ) от тока впрыска ( L - Я ) кривые от 0 до 300 мА диодов

Темнопольные, светлопольные и увеличенные светлопольные изображения поперечных сечений просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения (ПЭМВР) представлены на рис. 6, 7 и 8. На рис. 6 яркие и темные контрасты соответствуют эпитаксиальным слоям InGaN и GaN. Можно наблюдать восемь периодов квантовых ям и 20 пар сверхрешеток. На рис. 7 вариации темного контраста представляют собой флуктуации локального содержания In и образование кластеров, богатых индием, в квантовых ямах [31,32,33,34]. Кластеры, богатые индием, действуют как относительно глубокие локализованные состояния носителей, приводящие к сильной излучательной экситонной рекомбинации. Вокруг этих богатых индием кластеров отмечаются искажение решетки и дефекты упаковки, что указывает на частичное ослабление энергии деформации в слое InGaN, как показано на увеличенном изображении красного квадрата на рис. 8a. По сравнению с увеличенными изображениями в светлом поле видны более диффузные (не резкие) границы раздела КЯ в образцах C и D, как показано на рис. 8c, d. Агент возникает в результате хорошо известной взаимной диффузии атомов In и Ga на границе раздела яма / барьер. В образце D произошло очень слабое удержание и локализация носителей заряда квантовых ям, что соответствует наихудшему оптоэлектронному поведению этого образца. На изображениях пронизывающие дислокации (ПД) образуются не во всех образцах. NRC происходят в основном на сайтах TD. В этих образцах показано лучшее качество эпитаксиальных слоев, как и ожидалось, благодаря использованию PSS и SRL [35,36,37]. Четыре QB с легированием Si в восьмипериодных квантовых ямах являются благоприятным условием для изменения потенциала ограничения для достижения потенциала мягкого ограничения квантовых ям InGaN / GaN, что приводит к лучшим оптоэлектронным характеристикам синего светодиода.

Темнопольные изображения образцов. а Образец А. б Образец Б. c Образец C. d Образец D

Яркие полевые изображения образцов. а Образец А. б Образец Б. c Образец C. d Образец D

Увеличенные светлопольные изображения образцов. а Образец А. б Образец Б. c Образец C. d Образец D

Выводы

Температурно-зависимые спектры ФЛ, I - V кривые, L - Я кривые и изображения ВРЭМ синих светодиодов с восьмипериодом In _0,2 Ga _0.8 Были исследованы квантовые ямы N / GaN, содержащие от двух до пяти первых квантовых точек в последовательности осаждения, содержащие легирование кремнием. Результаты демонстрируют, что образец с первыми четырьмя КЯ, содержащими легирование кремнием, имеет относительно меньшую высоту барьера и большую энергию локализации носителей, о чем свидетельствуют диффузные границы раздела КЯ на изображениях ПЭМ ВР. Потенциал мягкого ограничения квантовых ям, сопровождающийся более сильной локализацией носителей заряда внутри квантовых ям, приводит к более равномерному распределению носителей заряда между восемью квантовыми ямами и более высокой излучательной рекомбинации носителей внутри квантовых ям в этом образце. Уменьшение оже-процессов и утечки носителей, а также увеличение излучательной рекомбинации квантовых ям происходило в синих светодиодах с четырьмя КД, легированными кремнием, при высоком токе инжекции. Результаты обеспечивают оптимальные условия для КД с легированием Si благодаря анализу влияния локализации носителей заряда, потенциала ограничения, поля PZ и наноструктур материала на люминесцентные свойства In _0,2 Ga _0.8 N / GaN квантовых ям синих светодиодов.

Сокращения

Al:

Алюминий

CP ₂ Mg:

Бис-циклопентадиенилмагний

EBL:

Слой блокировки электронов

EQE:

Внешняя квантовая эффективность

FE-TEM:

Автоэмиссионный просвечивающий электронный микроскоп

Ga:

Галлий

HRTEM:

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения

ICP:

Индуктивно-связанная плазма

В:

Индий

IQE:

Внутренняя квантовая эффективность

ITO:

Оксид индия и олова

I - V :

Зависимость тока от напряжения

L - Я :

Выходная мощность света в зависимости от тока инжекции

LP-MOCVD:

Осаждение металлоорганических соединений из газовой фазы при низком давлении

Mg:

Магний

N:

Азот

n-GaN:

GaN n-типа

NRC:

Центры безызлучательной рекомбинации

PL:

Фотолюминесценция

PSS:

Сапфировые подложки с рисунком

PZ:

Пьезоэлектрический

QBs:

Квантовые барьеры

QCSE:

Квантово-ограниченный эффект Штарка

QWs:

Квантовые ямы

RT:

Комнатная температура

Si:

Кремний

SiH ₄ :

Силан

SRL:

Слои для снятия натяжения

TCL:

Прозрачный контактный слой

TMAl:

Триметилалюминий

TMGa:

Триметилгаллий

TMIn:

Триметилиндий

u-GaN:

Нелегированный GaN