Оптимизация кремниевых легированных квантовых барьеров повышает яркость и КПД восьмипериодных InGaN/GaN синих СВЕТов

Аннотация

Исследованы восьмипериодные квантовые ямы (КЯ) In₀.₂Ga₀.₈N/GaN в синих светодиодах (СВЕТ) с кремниевым (Si) легированием, введенным в первые два–пять квантовых барьеров (КБ). Эпитаксиальные слои выращивали на 20-парных сверхрешетках In₀.₀₂Ga₀.₉₈N/GaN, служащих слоями релаксации напряжений (СРС), на шаблонированных сапфировых подложках (PSS) методом низкодавления металлоорганической химической осадки из газовой фазы (LP-MOCVD). Температурно-зависимая фоtolюминесценция (PL), вольт-амперные (I-V), световые (L-I) характеристики и высокоразрешающая трансляционная электронная микроскопия (HRTEM) показали, что образец с четырьмя Si-легированными КБ имеет наивысшую энергию локализации носителей (41 мэВ), наименьшее напряжение включения (3,27 В), наиболее благоприятное пробойное напряжение (−6,77 В) и самый сильный световой выход при больших инжекционных токах. Сниженная высота барьера создает мягкий потенциал замыкания, ведущий к лучшему распределению носителей, подавлению Оже-рекомбинации и более высокой радиативной эффективности. Результаты демонстрируют, что схема Si-легирования четырех КБ эффективно смягчает квантово-ограниченный Старк-эффект (QCSE) и улучшает оптические характеристики InGaN/GaN синих СВЕТ.

Введение

Кремниевое легирование в GaN КБ экранирует поля поляризации, тем самым подавляя квантово-ограниченный Старк-эффект (QCSE) в InGaN/GaN КЯ. Это подавление заметно повышает радиативную рекомбинацию экситонов, как сообщалось в ряде работ. В тернарных сплавах InGaN композиционные флуктуации и спинодальное фазовое разделение создают индий-богатые кластеры, действующие как глубокие ловушки для носителей, но также как мощные локализационные центры, снижающие нерадиативную рекомбинацию. Учет неоднородности индия необходим для точного моделирования внутреннего (IQE) и внешнего (EQE) квантового выхода и вольт-амперных характеристик.

Si-легированные КБ показывали модификацию наноструктуры КЯ, повышение термической стабильности, улучшение светового выхода и электростатической разрядной устойчивости по мере увеличения уровня легирования. Они также блокируют транспорр дыр, заставляя рекомбинацию происходить в области ямы между p-GaN и легированными барьерами. Недавние отчеты указывают, что 9–12 периодов КЯ на PSS дают значительное улучшение яркости и EQE просадки. Поэтому оптимизация числа и толщины Si-легированных КБ критична для максимизации высокотоковой характеристики синих СВЕТ.

Экспериментальные методы

Рис. 1 показывает эпитаксиальную структуру изготовленных синих СВЕТ кристаллов. Эпитаксиальные слои осаждали на c-плоскости PSS (высота пирамид 1,5 мкм, интервал 1 мкм) в горизонтальном LP-MOCVD реакторе. Прекурсоры: TMGa, TMIn, TMAl, NH₃, SiH₄ (для Si), Cp₂Mg (для Mg). Переносные газы — смесь H₂ и N₂ 1:1. 3-мкм нелегированный GaN буфер, затем 3,3-мкм n-GaN слой (10¹⁹ см⁻³). Двадцать пар 2/2 нм In₀.₀₂Ga₀.₉₈N/GaN сверхрешетки как СРС. Активная область: восемь 2,5-нм In₀.₂Ga₀.₈N КЯ, разделенных 8-нм GaN КБ, выращенных при 750 °C (КЯ) и 900 °C (КБ). Si легирование (~3×10¹⁷ см⁻³) применяли к первым двум (образец А), трем (Б), четырем (В) или пяти (Г) КБ. 20-нм Al₀.₁₆Ga₀.₈₄N электронно-блокирующий слой (EBL) и 100-нм p-GaN окно (10¹⁹ см⁻³) при 950 °C. Меза-тип устройств (1 мм²) определяли ИЦП травлением, контакты — ITO прозрачные и Cr/Pt/Au омические.

Электрические характеристики (I-V, L-I) измеряли от 20 мА до 300 мА при комнатной температуре. Температурно-зависимая PL (10–300 К) — He-Cd лазер 325 нм (45 мВт). HRTEM — 300 кВ FE-TEM.

Результаты и обсуждение

Рис. 2 показывает температурно-зависимые PL спектры. Все образцы демонстрируют ожидаемое гашение с ростом температуры из-за усиления нерадиативных процессов. Гауссова аппроксимация PL пиков (рис. 3) показывает, что Si-легированные КБ индуцируют синий сдвиг относительно нелегированного эталона, подтверждая эффективное подавление QCSE. Модель типа Варшни подгоняет S-образную температурную зависимость, давая энергии локализации 24 мэВ (А), 28 мэВ (Б), 41 мэВ (В), 13 мэВ (Г). Образец В с четырьмя Si-легированными КБ показывает сильнейшую локализацию, коррелирующую с превосходной радиативной рекомбинацией.

I-V кривые (рис. 4): образец В достигает наименьшего напряжения включения (3,27 В) и наивысшего пробойного напряжения (−6,77 В). Сниженная высота КБ в этом образце создает более гладкий замыкающий потенциал, уменьшая Оже-рекомбинацию и утечку носителей. L-I измерения (рис. 5) подтверждают, что образец В дает наибольший световой выход при 300 мА с минимальным насыщением, тогда как образец Г страдает от слабейшего замыкания и наименьшего выхода.

HRTEM изображения (рис. 6–8) иллюстрируют структуру слоев и композиционные вариации. Образец В демонстрирует более диффузные границы КЯ/КБ, указывая на интердиффузию, смягчающую потенциальный барьер и улучшающую распределение носителей. Индий-богатые кластеры и связанная релаксация напряжений наблюдаются во всех образцах, но наиболее выраженная локализация — в образце В. Скрестные дислокации отсутствуют во всех образцах, подтверждая высокое кристаллическое качество благодаря PSS и СРС.

Заключение

Систематическое исследование демонстрирует, что внедрение Si легирования в первые четыре КБ восьмипериодной In₀.₂Ga₀.₈N/GaN структуре дает наиболее благоприятные оптические и электрические характеристики. Полученный мягкий замыкающий потенциал, усиленная локализация носителей и сниженный QCSE коллективно подавляют Оже-процессы и утечки, тем самым повышая световой выход при высокой инжекции. Эти выводы дают четкий путь для оптимизации Si-легированных КБ в высокоэффективных синих СВЕТ.

Аббревиатуры

Al

Алюминий

Cp₂Mg

Бис-циклопентадиенил магний

EBL

Электронно-блокирующий слой

EQE

Внешний квантовый выход

FE-TEM

Полевая эмиссия трансляционная электронная микроскопия

Ga

Галлий

HRTEM

Высокоразрешающая трансляционная электронная микроскопия

ICP

Индуктивно связанная плазма

In

Индий

IQE

Внутренний квантовый выход

ITO

Индиевый оксид олова

I-V

Вольт-амперная характеристика

L-I

Световой выход в зависимости от инжекционного тока

LP-MOCVD

Низкодавление металлоорганическая химическая осадка из газовой фазы

Mg

Магний

N

Азот

n-GaN

n-типа GaN

NRCs

Нерадиативные рекомбинационные центры

PL

Фоtolюминесценция

PSSs

Шаблонированные сапфировые подложки

PZ

Пьезоэлектрический

QBs

Квантовые барьеры

QCSE

Квантово-ограниченный Старк-эффект

QWs

Квантовые ямы

RT

Комнатная температура

Si

Кремний

SiH₄

Сilan

SRLs

Слои релаксации напряжений

TCL

Прозрачный контактный слой

TMAl

Триметилалюминий

TMGa

Триметилгаллий

TMIn

Триметилиндий

u-GaN

Нелегированный GaN