Повышение эффективности InGaN/GaN μLED за счет уменьшения квантовых барьеров для подавления поверхностной рекомбинации

Аннотация

Из-за высокого отношения поверхности к объему InGaN-микросветодиоды (μLED) сильно страдают от поверхностной рекомбинации, вызванной дефектами боковых граней. Более того, при уменьшении размера кристалла расширение тока усиливается, что дополнительно ограничивает внедрение носителей и внешнюю квантовую эффективность (EQE). В этой работе предлагается снизить скорость нерадиационной рекомбинации на дефектах боковых граней за счет управления эффектом расширения тока. Для этого вертикальное сопротивление целенаправленно уменьшают за счет уменьшения толщины квантовых барьеров, чтобы ток меньше распространялся горизонтально к дефектам боковых граней. В результате гораздо меньше носителей расходуется на поверхностную нерадиационную рекомбинацию. Расчеты показывают, что подавленная поверхностная нерадиационная рекомбинация благоприятствует эффективности внедрения дырок. Также изготовлены μLED на Si-подложках, и экспериментальные результаты согласуются с численными расчетами: EQE предлагаемых μLED с должным образом тонкими квантовыми барьерами повышается благодаря уменьшению эффекта расширения тока и снижению поверхностной нерадиационной рекомбинации.

Введение

Благодаря высокой яркости, низкому потреблению энергии и длительному сроку службы [1], III-нитридные светодиоды (LED) привлекли широкое исследовательское внимание [2, 3]. На сегодняшний день достигнут огромный прогресс в больших InGaN/GaN синих LED [3], которые нашли применение в твердотельном освещении и больших панельных дисплеях. Однако обычные InGaN/GaN LED обладают узкой полосой модуляции, что делает их неподходящими для, например, видимой световой коммуникации (VLC) [4–6]. Крупный размер кристалла также снижает пиксельную емкость для дисплеев телефонов, носимых часов. Поэтому сейчас InGaN/GaN микросветодиоды (μLED) с размером кристалла менее 100 мкм привлекают огромное внимание. Несмотря на преимущества, остаются нерешенные проблемы: высокоточный масс-трансфер [7–9] и размерозависимая эффективность [10]. Последняя возникает из-за поверхностных повреждений при сухом травлении мез, что порождает множество дефектов и нерадиационную поверхностную рекомбинацию. Для разных оптоэлектронных устройств кристаллическое качество и зарядовый транспорт — ключевые параметры, влияющие на фотоэлектрические свойства [11–16]. Уникально для μLED: поверхностная рекомбинация в дефектных зонах может существенно снизить внутреннюю квантовую эффективность (IQE) [17]. Недавно Kou et al. показали, что при уменьшении размера кристалла дыроки легче захватываются дефектами, и способность внедрения дырок становится еще хуже для μLED с уменьшающимся размером [18]. Важно уменьшить плотность дефектов боковых граней. Удобный метод пассивации — наложение диэлектрического покрытия [19] методом PECVD или ALD. ALD дает более качественный слой и лучше аннигилирует дефекты [20]. Термическая обработка пассивирующего слоя дополнительно снижает количество дефектов [21], повышая EQE даже для 6 × 6 мкм μLED. Известно, что расширение тока усиливается при дальнейшем уменьшении кристалла из-за снижения бокового сопротивления [22]. Поэтому предлагается снизить вертикальное сопротивление, чтобы лучше удерживать ток внутри мез, что удерживает носители вдали от дефектов боковых граней и подавляет поверхностную нерадиационную рекомбинацию.

Для достижения цели предлагается уменьшить толщину квантовых барьеров для управления энергетическими барьерами и вертикальным сопротивлением. Численные расчеты показывают, что ток может быть более жестко скован внутри мезы, что снижает потребление дырок поверхностной нерадиационной рекомбинацией. Сниженная поверхностная нерадиационная рекомбинация также способствует внедрению дырок согласно нашему предыдущему отчету [18]. Кроме того, утонченные квантовые барьеры унифицируют распределение дыр по множественным квантовым ямам (MQW). Экспериментальные результаты подтверждают улучшение EQE для μLED с уменьшенной толщиной квантовых барьеров.

Исследовательские методы и физические модели

Для доказательства эффективности предложенных структур в подавлении поверхностной рекомбинации, стимулировании внедрения дырок и повышении EQE InGaN-μLED спроектированы разные наборы μLED, выросшие на Si-подложках ориентации [111] методом MOCVD [23, 24]. Во всех устройствах: 4-мкм слой n-GaN с концентрацией электронов 5 × 10¹⁸ см⁻³. Затем четыре пары In_0.18Ga_0.82N/GaN MQW для генерации фотонов. Структурная информация в Таблице 1. Далее 26-нм слой p-Al_0.15Ga_0.85N служит p-типу электронно-блокирующего слоя (p-EBL) с концентрацией дыр 3 × 10¹⁷ см⁻³, покрытый 100-нм p-GaN со той же концентрацией дыр. Оба образца μLED покрыты 20-нм p-GaN. Все изучаемые InGaN-синие μLED имеют размер кристалла 10 × 10 мкм². 200 нм ITO используется как раскидающий слой тока, отжигаемый при 500 °C 120 с для омического контакта с p-GaN. Затем сплав Ti/Al/Ni/Au осаждается на ITO и n-GaN как p- и n-электроды.

Для глубокого анализа физики устройств расчеты выполнялись в APSYS [25, 26], самосогласованно решающем уравнения дрейф-диффузии, Шредингера и Пуассона. КПД извлечения света установлен 88,1% для flip-chip устройств [27]. Отношение смещения зон проводимости и валентности в InGaN/GaN MQW задано 70:30 [28]. Учитываются потери носителей нерадиационной рекомбинацией: Авгеровская с коэффициентом 1 × 10⁻³⁰ см⁶с⁻¹ и Шокли-Реда-Холла (SRH) с временем жизни 100 нс [29]. Нерадиационная рекомбинация на поверхностях мез не может быть проигнорирована для μLED. Для точного моделирования поверхностной рекомбинации ловушечные уровни для электронов и дыр заданы на 0,24 эВ ниже зоны проводимости (E_c − 0,24 эВ) и 0,46 эВ выше зоны валентности (E_v + 0,46 эВ) соответственно. Сечение захвата 3,4 × 10⁻¹⁷ см² и плотность ловушек 1 × 10¹³ см⁻³ для электронных ловушек [30]. Для дырок: сечение захвата 2,1 × 10⁻¹⁵ см² и плотность ловушек 1,6 × 10¹³ см⁻³ [31]. Остальные параметры см. [32].

Результаты и обсуждение

Доказательство лучшего сковывания тока внутри мезы за счет утончения квантовых барьеров для μLED

Известно, что более благоприятное внедрение дыр достигается при тонких квантовых барьерах [33]. Но неясно, помогают ли тонкие барьеры сковывать ток внутри мез для μLED. Для ответа рассматриваются μLED A, B, C с толщиной квантовых барьеров 6, 9 и 12 нм соответственно (Таблица 1). Чтобы исключить влияние поверхностной рекомбинации на распределение носителей [18], ловушки на периферии мез не учитываются. На рис. 1 показаны расчетные EQE и оптическая мощность в зависимости от плотности тока для μLED A, B, C. При уменьшении толщины барьера и EQE, и оптическая мощность растут: EQE для A, B, C составляют 28,8%, 24,0% и 22,2% при 40 А/см².

На рис. 2 профили концентрации дыр в области MQW для μLED A, B, C при 40 А/см². При уменьшении толщины барьера концентрация дыр в квантовых ямах возрастает, а пространственная однородность распределения дыр по четырём ямам улучшается. Выводы для μLED согласуются с данными для крупных LED: должным образом тонкие квантовые барьеры способствуют транспорту дыр [33]. Упомянутое ранее: ток меньше распространяется к краю мезы при тонких барьерах. На рис. 3а показано боковое распределение дыр в первой квантовой яме, ближайшей к p-EBL. Концентрация дыр падает с удалением от p-электрода. Рассчитан уровень спада дыр: (p_left − p_right)/p_left, где p_left и p_right — концентрации на левом и правом краях мезы. Уровни спада: 10,7%, 10,3%, 9,8% для A, B, C. На рис. 3б показаны нормированные профили, также демонстрирующие увеличение спада при утончении барьера.

На рис. 4а–в — зонные диаграммы для μLED A, B, C. Видно, что высоты валентностных барьеров для всех квантовых барьеров снижаются при уменьшении их толщины. Сниженная высота барьера облегчает транспорт дыр через область MQW, согласуясь с рис. 2. С другой стороны, утончение барьеров снижает вертикальное сопротивление. По Che et al. [34], снижение вертикального сопротивления подавляет боковое расширение тока, заставляя ток держаться вдали от края мезы. Это подтверждается рис. 3а, б.

Упомянутое выше: усиление расширения тока при утолщении барьеров влияет на процессы рекомбинации. На рис. 5 показаны отношения SRH-рекомбинации к радиационной на краю мез. Отношение вычисляется как ∫R_SRH(x)dx / ∫R_rad(x)dx по толщине MQW. На рис. 5 видно, что отношения R_SRH/R_rad на краю мезы уменьшаются при увеличении толщины барьера, что означает усиление радиационной рекомбинации за счет улучшения расширения тока для идеальных архитектур μLED. Это значит, что μLED могут обладать отличным расширением тока благодаря резко уменьшенному размеру кристалла [21, 22]. Примечание: для рис. 5 поверхностная рекомбинация не учитывалась. Следовательно, можно предположить, что гораздо лучшее расширение тока для реалистичных μLED может жертвовать радиационной рекомбинацией, что можно смоделировать с учетом поверхностных несовершенств — подробнее ниже.

Снижение поверхностной рекомбинации за счет MQW с тонкими квантовыми барьерами

Для изучения влияния поверхностной рекомбинации на внедрение дыр в μLED с разной толщиной барьеров спроектированы μLED I, II, III. Структура MQW идентична A, B, C (Таблица 1), но для I, II, III учитываются поверхностные дефекты: ширина дефектной зоны — 0,5 мкм от травленного края мезы.

На рис. 6 — расчетные EQE и оптическая мощность в зависимости от плотности тока. При учете поверхностной нерадиационной рекомбинации оптическая интенсивность значительно падает, что снова подтверждает: поверхностная нерадиационная рекомбинация не пренебрежима для μLED [10, 17, 18]. При этом, в согласии с рис. 1, EQE и оптическая мощность растут при уменьшении толщины барьера: μLED I с самым тонким барьером имеет наибольшие EQE и мощность. Экспериментально измеренные EQE для μLED I и III показаны на вставке рис. 6а — тот же тренд, что и расчеты. Также измерены и показаны нормированные ЭЛ-спектры для μLED I и III на рис. 6б, в. Пик излучения ~450 нм для всех протестированных μLED. Измеренные ЭЛ воспроизводятся нашими моделями, что указывает на правильную установку физических параметров: уровень поляризации и In-состав в MQW, определяющие длину волны излучения.

Чтобы раскрыть влияние дефектов боковых граней на эффективность внедрения дыр для μLED I, II, III, концентрации дыр показаны на рис. 7. На рис. 7а — в центральной области устройств (красная стрелка на вставке), на 7б — в дефектной зоне (красная стрелка на вставке). Как показывают 7а, б, и в не дефектной, и в боковой дефектной зонах уменьшение толщины квантовых барьеров благоприятствует транспорту дыр через MQW. Результаты согласуются с рис. 2. Сравнение 7а и 7б показывает, что эффективность внедрения дыр в дефектных боковых зонах явно ниже, чем в не дефектной области. Наблюдения согласуются с Kou et al. [18], что еще раз подтверждает необходимость удерживать ток вдали от дефектных боковых граней за счет должного уменьшения толщины квантовых барьеров (см. рис. 3а, б).

Повторяем анализ рис. 5, результаты теперь на рис. 8. Видно, что отношение R_SRH/R_rad на краю мезы растет при утолщении квантового барьера, что единственно объясняется значительным усилением скорости поверхностной нерадиационной рекомбинации. Как предполагалось, толстые барьеры позволяют току достигать краев мез и запускать поверхностную нерадиационную рекомбинацию. В результате вставки а–в показывают, что поверхностная нерадиационная рекомбинация становится экстремально сильной на краях мез, даже превосходя скорость радиационной рекомбинации.

Заключение

Подводя итог: численно исследовано и продемонстрировано влияние разных толщин квантовых барьеров на внедрение дыр и расширение тока для InGaN-основанных μLED. Результаты показывают, что утончение квантовых барьеров обеспечивает лучшее сковывание тока внутри области мезы. Соответственно, расширение тока хорошо управляемо держаться вдали от краев мез, что подавляет поверхностную нерадиационную рекомбинацию. И численно, и экспериментально наблюдается улучшение внешней квантовой эффективности для InGaN-основанных μLED с должным образом тонкими квантовыми барьерами. Мы считаем, что предложенный подход перспективен для устранения «узкого горлышка», ограничивающего развитие высокопроизводительных μLED. Более того, представленная в работе физика устройств углубит понимание InGaN-основанных μLED.

Доступность данных и материалов

Данные и анализ настоящей работы доступны у соответствующих авторов по обоснованному запросу.

Аббревиатуры

μLED:

Микросветодиоды

EQE:

Внешняя квантовая эффективность

LED:

Светодиоды

InGaN:

Индий галлиев нитрид

GaN:

Галлий нитрид

VLC:

Видимая световая коммуникация

IQE:

Внутренняя квантовая эффективность

PECVD:

Плазмо-стимулируемое химическое осаждение из газовой фазы

ALD:

Атомно-слойное осаждение

MQW:

Множественные квантовые ямы

MOCVD:

Металлоорганическое химическое осаждение из газовой фазы

p-EBL:

p-тип электронно-блокирующий слой

APSYS:

Advanced Physical Models of Semiconductor Devices

SRH:

Шокли-Ред-Холл