Lapisan Doping Silikon Optimal dari Penghalang Kuantum dalam Urutan Pertumbuhan Membentuk Potensi Pengurangan Lunak Delapan Periode In0.2Ga0.8N/GaN Sumur Kuantum Biru LED
Abstrak
Fitur delapan periode Dalam0.2 Ga0,8 Sumur kuantum N/GaN (QW) dengan doping silikon (Si) dalam dua hingga lima penghalang kuantum (QB) pertama dalam urutan pertumbuhan dioda pemancar cahaya biru (LED) dieksplorasi. Epilayers struktur QW tumbuh pada 20 pasang In0,02 Ga0,98 Superlattice N/GaN bertindak sebagai lapisan pelepas regangan (SRL) pada substrat safir berpola (PSS) oleh sistem deposisi uap kimia logam-organik (LP-MOCVD) bertekanan rendah. Spektrum fotoluminesensi (PL) yang bergantung pada suhu, arus versus tegangan (I -V ) kurva, daya keluaran cahaya versus arus injeksi (L -Aku ) kurva, dan gambar mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) epilayers diukur. Konsekuensinya menunjukkan bahwa QW dengan empat QB yang didoping Si memiliki energi lokalisasi pembawa yang lebih besar (41 meV), tegangan nyala yang lebih rendah (3,27 V) dan kerusakan (− 6,77 V), dan daya keluaran cahaya LED biru yang lebih tinggi pada injeksi yang lebih tinggi arus dibandingkan sampel lainnya. Ketinggian penghalang QB yang rendah dalam sampel QB yang didoping empat-Si menghasilkan potensi kurungan lunak QW dan voltase pengaktifan dan kerusakan dioda yang lebih rendah. Gambar HRTEM memberikan bukti bahwa sampel ini memiliki antarmuka QW yang relatif difusi. Penyebaran pembawa yang seragam di antara delapan QW dan lokalisasi pembawa yang unggul di setiap sumur bertanggung jawab atas peningkatan daya keluaran cahaya, khususnya, untuk arus injeksi tinggi dalam sampel QB yang didoping empat Si. Hasilnya menunjukkan bahwa empat QB dari delapan In0.2 Ga0,8 N/GaN QW dengan doping Si tidak hanya mengurangi efek Stark terbatas kuantum (QCSE) tetapi juga meningkatkan distribusi dan lokalisasi pembawa di QW untuk kinerja optik LED biru yang lebih baik.
Latar Belakang
Doping silikon (Si) dalam penghalang kuantum GaN (QBs) dapat menyalakan penyaringan Coulomb bidang polarisasi dan menyebabkan penekanan efek Stark terbatas kuantum (QCSE) di sumur kuantum InGaN/GaN (QWs). Rekombinasi radiasi eksiton dalam QW InGaN/GaN dapat ditingkatkan secara signifikan melalui QB yang didoping Si [1,2,3,4]. Fluktuasi komposisi pemisahan fase indium (In) dan spinodal terjadi pada paduan terner InGaN karena kesenjangan fase-padat yang melekat pada GaN dan InN. Pembentukan cluster kaya dapat bertindak sebagai lokalisasi pembawa yang kuat, mencegah perangkap pusat rekombinasi nonradiatif (NRCs) dan memfasilitasi rekombinasi radiasi rangsangan di InGaN/GaN QWs [5,6,7,8,9,10]. Fluktuasi komposisi indium dalam QW InGaN/GaN memiliki dampak signifikan pada perilaku perangkat, misalnya, efisiensi kuantum internal (IQE), efisiensi kuantum eksternal (EQE), dan karakteristik tegangan arus. Fluktuasi indium pada InGaN/GaN QWs harus diperhitungkan untuk mendapatkan penjelasan yang lebih baik tentang kinerja perangkat [11]. QWs InGaN/GaN dengan QB yang didoping Si telah menunjukkan sifat modifikasi struktur nano material dan formasi pulau berskala nano karena pertumbuhan spiral lapisan QW [12], promosi stabilitas termal InGaN/GaN QWs [13], peningkatan daya keluaran cahaya dan perilaku pelepasan muatan listrik statis (ESD) dari LED karena konsentrasi doping di QBs meningkat [14], pemblokiran transportasi pembawa lubang yang mudah mengarah ke rekombinasi eksiton di sumur antara GaN tipe-p (p-GaN ) dan penghalang yang didoping [15], dll.
Periode dan ketebalan yang menguntungkan dari InGaN/GaN QWs untuk kecerahan tinggi dan EQE tinggi di bawah arus injeksi tinggi (di atas beberapa puluh mA) LED biru dilaporkan [16,17,18]. Dalam laporan, sembilan periode InGaN/GaN QWs tumbuh pada substrat safir berpola (PSSs) menunjukkan peningkatan yang signifikan dari kekuatan emisi cahaya dan sifat droop dari EQE [16]. Performa optik dan listrik terbaik dari LED biru ditunjukkan jika wilayah aktif terdiri dari 12 periode QW InGaN/GaN pada arus injeksi 42 A/cm
2
[17]. Pengurangan nyata dari penurunan EQE dan peningkatan IQE ditunjukkan untuk pengurangan ketebalan QB dari 24,5 menjadi 9,1 nm dalam hasil simulasi LED InGaN/GaN [18]. Si doping dalam ketebalan dan jumlah QB yang tepat dalam QW InGaN/GaN sangat penting untuk promosi lebih lanjut kecerahan dan efisiensi LED biru InGaN yang beroperasi pada arus injeksi tinggi. Dalam laporan ini, kami menyajikan karakteristik optik, listrik, dan material dari delapan periode In0.2 Ga0,8 N/GaN QW dengan dua hingga lima QB pertama dalam urutan pertumbuhan yang memiliki doping Si dari LED biru. Hasilnya memberikan wawasan yang lebih mendalam tentang mekanisme lokalisasi pembawa, potensi kurungan, dan QCSE QW pada perilaku pendaran LED biru di bawah arus injeksi tinggi.
Metode Eksperimental
Gambar 1 menggambarkan ilustrasi skematis struktur lapisan material sampel LED biru. Epilayer diendapkan oleh reaktor horizontal sistem deposisi uap kimia logam-organik bertekanan rendah (LP-MOCVD) pada PSS orientasi (0001)-orientasi (c-plane). Diameter, tinggi, dan interval struktur piramida beraturan pada PSS berturut-turut adalah 2, 1,5, dan 1 m. PSS memiliki ketebalan 3 μm dan dipanaskan terlebih dahulu pada 1150 °C dalam suasana hidrogen sebelum pertumbuhan epilayer. Trimethylgallium (TMGa), trimmethylindium (TMIn), trimmethylaluminum (TMAl), dan gas NH3 masing-masing digunakan sebagai prekursor fase uap dari unsur galium (Ga), In, aluminium (Al), dan nitrogen (N). Silane (SiH4 ) dan bis-siklopentadienil magnesium (Cp2 Mg) adalah prekursor dari dopan Si dan magnesium (Mg) masing-masing dalam zat tipe n dan p. Gas pembawa prekursor adalah campuran hidrogen (H2 ) dan nitrogen (N2 ) dengan perbandingan 1:1 yang secara kimiawi tidak reaktif.
Diagram skematis struktur lapisan chip LED biru buatan. Gambar skema ketebalan lapisan epitaksi ini dilebih-lebihkan untuk kejelasan dan tidak berskala
Lapisan buffer GaN (u-GaN) yang tidak didoping dan kemudian GaN (n-GaN) tipe-n yang didoping Si dengan ketebalan 3 dan 3,3 m ditanam pada PSS. Konsentrasi doping n-GaN adalah 10
19
cm
−3
. Dua puluh pasang Dalam0,02 Ga0,98 Superlattice N/GaN dengan ketebalan 2/2 nm selanjutnya diendapkan pada n-GaN. Ini memainkan peran lapisan pelepas regangan (SRL), yang digunakan untuk mengurangi perpanjangan regangan dari epilayer pada PSS.
Lapisan aktif LED biru mengandung delapan periode In0.2 Ga0,8 T/GaN QW. Ketebalan QW dan QB adalah 2,5 dan 8 nm dengan suhu pertumbuhan masing-masing 750 dan 900 °C. Si doping dengan konsentrasi sekitar 3 × 10
17
cm
−3
dalam dua, tiga, empat, dan lima QB pertama dalam urutan pertumbuhan disebut sebagai sampel A, B, C, dan D, masing-masing. tipe-p Al0,16 Ga0,84 Lapisan penghambat elektron (EBL) N memiliki ketebalan 20 nm dan ditumbuhkan pada 950 °C dengan doping Mg. lapisan jendela p-GaN dan p
+
-Lapisan kontak GaN ditumbuhkan pada 950 °C dengan ketebalan 100 dan 20 nm, dan konsentrasi doping 10
19
dan 10
20
cm
−3
.
Epilayers tergores secara selektif ke lapisan n-GaN oleh sistem plasma yang digabungkan secara induktif (ICP) untuk membentuk struktur mesa LED. Lapisan kontak transparan (TCL) indium tin oxide (ITO) diendapkan ke p
+
-GaN permukaan oleh elektron beam evaporator. Lapisan elektroda kontak multi-logam Chromium/platinum/gold (Cr/Pt/Au) selanjutnya diuapkan ke p
+
-GaN dan n-GaN lapisan untuk kontak ohmik yang baik. Wafer LED disusun dan dipoles hingga sekitar 120 m untuk chip dicing. Perangkat LED tipe mesa standar dengan ukuran chip persegi 1 mm
2
diproduksi.
Arus versus tegangan (I -V ) kurva dan daya keluaran cahaya (Pkeluar ) versus arus injeksi (L -Aku ) kurva dari 20 hingga 300 mA pada suhu kamar (RT) dioda diukur. Spektrum fotoluminesensi (PL) yang bergantung pada suhu dari periode delapan In0.2 Ga0,8 N/GaN QW diperiksa. Sumber cahaya eksitasi PL adalah laser He-Cd (325 nm) dengan daya rata-rata 45 mW. Gambar mikroskop elektron transmisi (HRTEM) resolusi tinggi diambil dari mikroskop elektron transmisi emisi medan (FE-TEM) EM-3000F dengan tegangan akselerasi 300 kV dan resolusi 0,14 nm.
Hasil dan Diskusi
Gambar 2 memplot spektrum PL sampel pada berbagai suhu dari 10 hingga 300 K. Penurunan monoton intensitas puncak PL dengan kenaikan suhu dapat diamati. Hal ini berawal dari meningkatnya proses rekombinasi nonradiatif dengan meningkatnya suhu. Semua profil spektral PL dilengkapi dengan fungsi bentuk garis Gaussian untuk menemukan variasi energi maksimum puncak dengan suhu seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Energi maksimum puncak emisi PL untuk In0.2 yang tidak didoping Ga0,8 N/GaN QW adalah 2,68 eV pada suhu kamar. Ini berarti bahwa energi puncak PL sampel dengan dua hingga lima QB pertama yang memiliki doping Si menunjukkan pergeseran biru bila dibandingkan dengan yang tidak didoping. Dua hingga lima QB pertama dengan doping Si dapat menurunkan QCSE di QW secara efektif. Perlu diketahui bahwa penggunaan PSS dan SRL pada struktur lapisan epilayer dapat mengurangi sebagian medan piezoelektrik (PZ) serta QCSE pada In0.2 Ga0,8 T/GaN QW.
Spektrum sampel PL yang bergantung pada suhu pada berbagai suhu dari 10 hingga 300 K
Variasi energi maksimum puncak PL versus suhu sampel. Kurva pas terbaik menggunakan persamaan Varshni ditunjukkan dalam garis tebal dan hitam pekat
Pada Gambar. 3, variasi energi maksimum puncak PL versus suhu yang menunjukkan kurva bentuk-S dari semua sampel dapat ditampilkan. Kurva S-bentuk menampilkan merah awal kemudian biru dan kemudian pergeseran merah dengan kenaikan suhu. Perilaku ini dikaitkan dengan pendaran kolektif yang bergantung pada suhu dari rangsangan lokal yang kuat di QW. Persamaan empiris Varshni yang ditunjukkan di bawah ini dapat digunakan untuk menyesuaikan rentang pergeseran biru ke merah dari variasi bentuk-S [19,20,21].
dimana Eg (0), α , β , dan σ adalah parameter yang pas. Eg (0) adalah energi celah pita QW pada suhu mutlak 0 K. α dan β adalah koefisien termal yang merupakan parameter yang bergantung pada material. σ adalah parameter pelebaran Gaussian, dan secara fisik mencerminkan derajat distribusi termal pembawa dalam status terlokalisasi pita pita. Suku kedua dalam Persamaan. (1) menunjukkan bahwa energi celah pita semikonduktor cenderung menurun dengan meningkatnya suhu dan dikenal sebagai penyusutan celah energi karena peningkatan amplitudo getaran atom. Istilah ketiga digunakan untuk mengkarakterisasi derajat lokalisasi pembawa dengan suhu di bawah asumsi distribusi pembawa yang tidak mengalami degenerasi dan kerapatan keadaan terlokalisasi seperti Gaussian. Lokalisasi pembawa yang kuat adalah aspek penting dalam mewujudkan peningkatan rekombinasi radiasi dan IQE di InGaN QW karena peningkatan tumpang tindih antara fungsi gelombang elektron dan lubang. Persamaan Varshni tidak berlaku dalam kisaran pergeseran merah energi puncak PL pada suhu rendah, karena degenerasi yang kuat dalam distribusi pembawa. Hasil pas sampel terbaik diilustrasikan dalam kurva padat tebal dan hitam pada Gambar. 3. Energi lokalisasi sampel A, B, C, dan D masing-masing adalah 24, 28, 41, dan 13 meV. Sampel C memiliki energi lokalisasi terbesar, σ (41 meV). Lokalisasi pembawa di QW dengan empat QB yang didoping Si lebih kuat dari yang lain. Energi lokalisasi terkecil (σ ) terjadi pada sampel D dengan nilai 13 meV.
Tegangan arus (I -V ) karakteristik di bawah bias maju dan mundur LED biru ditunjukkan pada Gambar. 4. Pada gambar ini, tegangan penyalaan untuk sampel A, B, C, dan D adalah 3,41, 3,47, 3,27, dan 4,03 V pada arus maju 20 mA, masing-masing. Tegangan tembus untuk sampel A, B, C, dan D masing-masing adalah 8.85, 9.99, 6.77, dan 11.55 V pada arus balik 1 μA. Sampel C memiliki tegangan nyala dan rusak yang paling kecil. Sampel D memiliki tegangan nyala dan rusak terbesar. Oleh karena itu, tinggi penghalang QB yang lebih rendah disarankan dalam sampel C. Potensi pembatas QW yang lembut (halus) diharapkan dalam sampel dengan empat QB pertama yang memiliki doping Si. Profil potensi kurungan lunak menyiratkan bahwa offset pita konduksi dan valensi QW tidak diambil sebagai fungsi langkah tajam, yaitu, bukan potensial pembatas persegi panjang. Potensi pembatas yang halus dapat menekan rekombinasi Auger untuk sebagian besar dan mencegah akumulasi banyak pembawa di beberapa sumur pertama dalam arah injeksi InGaN/GaN QWs [22,23,24]. Potensi pembatas yang halus juga dapat dibuat melalui penurunan linier komposisi In sepanjang arah pertumbuhan InGaN/GaN QWs. Ini dapat memiliki penyebaran pembawa yang lebih baik di antara QW dan pengangkutan lubang yang menghasilkan peningkatan penurunan cepat EQE dan daya keluaran cahaya [25,26,27,28,29,30].
Tegangan arus (I -V ) kurva di bawah bias maju dan mundur dioda
Gambar 5 menunjukkan pengukuran daya keluaran cahaya (Pkeluar ) LED versus arus injeksi (L -Aku ) kurva dari 0 hingga 300 mA oleh penguji chip. Peningkatan Pkeluar dengan kenaikan arus injeksi L -Aku kurva dapat diamati. P tertinggi dan terendah keluar untuk arus injeksi tinggi ditunjukkan dalam sampel C dan D, masing-masing. Saturasi Pkeluar pada arus injeksi 300 mA ditampilkan di semua sampel kecuali untuk sampel C. Efek saturasi Pkeluar disebut arus meluap QWs. Semakin sedikit arus yang meluap pada QW terjadi dalam potensi kurungan lunak QW dan lokalisasi pembawa yang kuat di dalam sampel QW. Penyebaran pembawa yang lebih baik di antara delapan QW dan rekombinasi radiasi kuat pembawa di dalam QW ditampilkan dalam sampel dengan empat QB yang mengandung doping Si.
Daya keluaran cahaya (Pkeluar ) versus arus injeksi (L -Aku ) kurva dari 0 hingga 300 mA dioda
Gambar bidang gelap, bidang terang, dan bidang terang yang diperbesar dari mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) penampang lintang sampel ditunjukkan pada Gambar. 6, 7, dan 8. Pada Gambar. 6, kontras terang dan gelap sesuai dengan epilayer InGaN dan GaN. Delapan periode QW dan 20 pasang superlattice dapat diamati. Pada Gambar. 7, variasi kontras gelap menunjukkan fluktuasi konten lokal In dan pembentukan kluster kaya indium di QW [31,32,33,34]. Cluster kaya indium bertindak sebagai keadaan pembawa yang terlokalisasi relatif dalam yang mengarah ke rekombinasi eksitonik radiasi tinggi. Distorsi kisi dan cacat kesalahan susun dicatat di sekitar kluster kaya indium ini, yang menunjukkan bahwa energi regangan sebagian mengendur di lapisan InGaN seperti yang ditunjukkan pada gambar kotak merah yang diperbesar pada Gambar. 8a. Dibandingkan dengan gambar bidang terang yang diperbesar, antarmuka QW yang lebih difusif (tidak tiba-tiba) dalam sampel C dan D terlihat seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8c, d. Agen berasal dari interdifusi atom In dan Ga yang terkenal pada antarmuka sumur/penghalang. Pengurangan yang sangat lemah dan lokalisasi pembawa QWs terjadi pada sampel D yang sesuai dengan perilaku optoelektronik terburuk dari sampel ini. Dalam gambar, dislokasi threading (TDs) tidak terbentuk di semua sampel. NRC terjadi terutama di situs TD. Kualitas epilayer yang lebih baik ditunjukkan dalam sampel ini seperti yang diharapkan karena penggunaan PSS dan SRL [35,36,37]. Empat QB dengan doping Si dalam QW delapan periode adalah kondisi yang menguntungkan untuk memodifikasi potensi kurungan untuk mencapai potensi kurungan lunak InGaN/GaN QW, yang mengarah ke kinerja optoelektronik LED biru terbaik.
Gambar bidang gelap sampel. a Contoh A. b Contoh B. c Contoh C. d Contoh D
Gambar bidang terang dari sampel. a Contoh A. b Contoh B. c Contoh C. d Contoh D
Gambar bidang terang yang diperbesar dari sampel. a Contoh A. b Contoh B. c Contoh C. d Contoh D
Kesimpulan
Spektrum PL yang bergantung pada suhu, I -V kurva, L -Aku kurva, dan gambar HRTEM dari LED biru dengan delapan periode In0.2 Ga0,8 N/GaN QW yang memiliki dua hingga lima QB pertama dalam urutan deposisi yang mengandung doping Si diselidiki. Hasilnya menunjukkan bahwa sampel dengan empat QB pertama yang mengandung doping Si memiliki tinggi penghalang yang relatif lebih rendah dan energi lokalisasi pembawa yang lebih besar yang dibuktikan dengan antarmuka difusi QW dalam gambar HRTEM. Potensi kurungan lunak QW disertai dengan lokalisasi pembawa yang lebih kuat di dalam QW memunculkan distribusi pembawa yang lebih seragam di antara delapan QW dan rekombinasi radiasi yang lebih tinggi dari pembawa di dalam QW dalam sampel ini. Penurunan proses Auger dan kebocoran pembawa serta peningkatan rekombinasi radiasi QW terjadi pada LED biru dengan empat QB yang didoping Si di bawah arus injeksi tinggi. Hasilnya memberikan kondisi optimal QB dengan doping Si melalui analisis efek lokalisasi pembawa, potensi kurungan, bidang PZ, dan struktur nano material pada sifat pendaran In0.2 Ga0,8 N/GaN QW LED biru.
Singkatan
Al:
Aluminium
Cp2 Kirim:
Bis-siklopentadienil magnesium
EBL:
Lapisan pemblokiran elektron
EQE:
Efisiensi kuantum eksternal
FE-TEM:
Mikroskop elektron transmisi emisi medan
Ga:
Galium
HRTEM:
Mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi
ICP:
Plasma yang digabungkan secara induktif
Dalam:
Indonesia
IQE:
Efisiensi kuantum internal
ITO:
Indium timah oksida
Saya -V :
Arus versus tegangan
L -Aku :
Daya keluaran ringan versus arus injeksi
LP-MOCVD:
Deposisi uap kimia logam-organik bertekanan rendah
