Optimisasi Hambatan Kuantum Doped Silikon Meningkatkan Kecerahan dan Efisiensi LED Biru Enam Periode InGaN/GaN

Abstrak

Kami menyelidiki sumur kuantum (QW) delapan periode In_0.2Ga_0.8N/GaN dalam dioda pemancar cahaya (LED) biru dengan doping silikon (Si) yang diperkenalkan pada hambatan kuantum (QB) pertama hingga kelima. Epilayer ditumbuhkan pada superlattice 20-pasangan In_0.02Ga_0.98N/GaN, yang berfungsi sebagai lapisan perlepas tekanan (SRL), pada substrat safir berpolanya (PSS) melalui depoisi uap kimia organik logam tekanan rendah (LP-MOCVD). Pengukuran fotoluminesensi bergantung pada suhu (PL), arus-tegangan (I–V), keluaran cahaya (L–I), dan mikroskopi elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) mengungkapkan bahwa sampel dengan empat QB yang di-dope Si menunjukkan energi lokalisasi pemakai tertinggi (41 meV), tegangan nyala terendah (3,27 V), tegangan breakdown paling menguntungkan (−6,77 V), dan keluaran cahaya terkuat pada injeksi arus tinggi. Tinggi hambatan yang berkurang menciptakan potensi penyekatan lemah, yang menghasilkan distribusi pemakai yang lebih baik, penekanan rekombinasi Auger, dan efisiensi radiasi yang lebih tinggi. Temuan ini menunjukkan bahwa skema doping empat QB Si secara efektif mengurangi efek Stark terbatas kuantum (QCSE) dan meningkatkan performa optik LED biru InGaN/GaN.

Latar Belakang

Doping Si pada QB GaN menyaring medan polarisasi, sehingga menekan efek Stark terbatas kuantum (QCSE) pada QW InGaN/GaN. Penekanan ini secara signifikan meningkatkan rekombinasi radiasi eksiton, seperti yang dilaporkan dalam beberapa studi [1], [2]. Dalam leger InGaN ternari, fluktuasi komposisi dan pemisahan fasa spinodal menghasilkan kluster indium-kaya yang bertindak sebagai jebakan pemakai dalam, namun juga sebagai situs lokalisasi yang kuat yang mengurangi rekombinasi non-radiasi. Mempertimbangkan ketidakhomogenan indium sangat penting untuk pemodelan yang akurat efisiensi kuantum internal (IQE), efisiensi kuantum eksternal (EQE), dan karakteristik arus-tegangan.

QB yang di-dope Si telah ditunjukkan dapat memodifikasi struktur nano QW, mempromosikan stabilitas termal, meningkatkan daya keluaran cahaya, dan meningkatkan performa listrik statis discharge seiring meningkatnya tingkat doping. Mereka juga memblokir transportasi lubang, memaksa rekombinasi terjadi di wilayah sumur antara p-GaN dan hambatan yang di-dope. Laporan terbaru menunjukkan bahwa 9–12 periode QW pada PSS menghasilkan peningkatan yang signifikan dalam kecerahan dan EQE droop. Oleh karena itu, mengoptimalkan jumlah dan ketebalan QB yang di-dope Si sangat penting untuk memaksimalkan kinerja LED biru arus tinggi.

Metode Eksperimen

Gambar 1 menunjukkan struktur epitaksial chip LED biru yang difabrikasi. Epilayer ditetapkan pada PSS bidang c (tinggi piramida 1,5 µm, jarak 1 µm) menggunakan reaktor LP-MOCVD horizontal. Prekursor termasuk TMGa, TMIn, TMAl, NH₃, SiH₄ (untuk Si), dan Cp₂Mg (untuk Mg). Gas pembawa adalah campuran 1:1 H₂ dan N₂. Sebuah lapisan buffer GaN tidak di-dope 3-µm diikuti oleh lapisan n-GaN 3,3-µm yang di-dope hingga 10¹⁹ cm⁻³. Dua puluh pasangan superlattice In_0.02Ga_0.98N/GaN 2/2 nm berfungsi sebagai SRL. Wilayah aktif terdiri dari delapan QW In_0.2Ga_0.8N 2,5-nm yang dipisahkan oleh QB GaN 8-nm, ditumbuhkan pada 750 °C (QW) dan 900 °C (QB). Doping Si (≈3×10¹⁷ cm⁻³) diterapkan pada QB pertama dua (sampel A), tiga (sampel B), empat (sampel C), atau lima (sampel D). Sebuah lapisan penangkal elektron (EBL) Al_0.16Ga_0.84N 20-nm dan jendela p-GaN 100-nm (10¹⁹ cm⁻³) ditumbuhkan pada 950 °C. Perangkat tipe meja (1 mm²) didefinisikan oleh etching ICP, dengan kontak transparan ITO dan lapisan ohmik Cr/Pt/Au.

Karakteristik listrik (I–V, L–I) diukur dari 20 mA hingga 300 mA pada suhu ruang. PL bergantung pada suhu (10–300 K) menggunakan laser He–Cd 325-nm (45 mW). Penggambaran HRTEM menggunakan FE-TEM 300 kV.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2 menampilkan spektrum PL bergantung pada suhu. Semua sampel menunjukkan quenching yang diharapkan seiring meningkatnya suhu karena proses non-radiasi yang meningkat. Fitting Gaussian dari puncak PL (Gambar 3) mengungkapkan bahwa QB yang di-dope Si menginduksikan pergeseran biru relatif terhadap referensi yang tidak di-dope, mengonfirmasi penekanan QCSE yang efektif. Model tipe Varshni memasang ketergantungan suhu berbentuk S, menghasilkan energi lokalisasi 24 meV (A), 28 meV (B), 41 meV (C), dan 13 meV (D). Sampel C, dengan empat QB yang di-dope Si, menunjukkan lokalisasi terkuat, yang berkorelasi dengan rekombinasi radiasi yang unggul.

Kurva I–V (Gambar 4) menunjukkan bahwa sampel C mencapai tegangan nyala terendah (3,27 V) dan tegangan breakdown tertinggi (−6,77 V). Tinggi hambatan QB yang berkurang dalam sampel ini menciptakan potensi penyekatan yang lebih halus, mengurangi rekombinasi Auger dan kebocoran pemakai. Pengukuran L–I (Gambar 5) mengonfirmasi bahwa sampel C menghasilkan keluaran cahaya tertinggi pada 300 mA, dengan saturasi minimal, sedangkan sampel D mengalami penyekatan terlemah dan keluaran terendah.

Gambar HRTEM (Gambar 6–8) menggambarkan struktur lapisan dan variasi komposisi. Sampel C menunjukkan antarmuka QW/QB yang lebih difusif, yang mengindikasikan interdifusi yang melunakkan potensi hambatan dan meningkatkan penyebaran pemakai. Kluster indium-kaya dan relaksasi tekanan yang terkait diamati di semua sampel, tetapi lokalisasi yang paling mencolok terjadi dalam sampel C. Dislokasi tali tidak terlihat di seluruh sampel, menekankan kualitas kristal yang tinggi yang ditawarkan oleh PSS dan SRL.

Kesimpulan

Studi sistematis kami menunjukkan bahwa perkenalan doping Si pada QB pertama empat dari struktur In_0.2Ga_0.8N/GaN delapan periode menghasilkan performa optik dan listrik yang paling menguntungkan. Potensi penyekatan yang lemah, lokalisasi pemakai yang ditingkatkan, dan penurunan QCSE secara kolektif menekan proses Auger dan kebocoran, sehingga meningkatkan keluaran cahaya di bawah injeksi tinggi. Wawasan ini memberikan jalur yang jelas untuk mengoptimalkan QB yang di-dope Si dalam LED biru berkinerja tinggi.

Singkatan

Al

Aluminium

Cp₂Mg

Bis-siklopentadienil magnesium

EBL

Lapisan penangkal elektron

EQE

Efisiensi kuantum eksternal

FE-TEM

Mikroskopi elektron transmisi emisi lapangan

Ga

Gallium

HRTEM

Mikroskopi elektron transmisi resolusi tinggi

ICP

Plasma terikat indutif

In

Indium

IQE

Efisiensi kuantum internal

ITO

Oksida timbal tin

I–V

Arus-tegangan

L–I

Keluaran cahaya versus injeksi arus

LP-MOCVD

Depoisi uap kimia organik logam tekanan rendah

Mg

Magnesium

N

Nitrogen

n-GaN

n-GaN tipe

NRCs

Pusat rekombinasi non-radiasi

PL

Fotoluminesensi

PSSs

Substrat safir berpolanya

PZ

Piezoelektrik

QBs

Hambatan kuantum

QCSE

Efek Stark terbatas kuantum

QWs

Sumur kuantum

RT

Suhu ruang

Si

Silikon

SiH₄

Silana

SRLs

Lapisan perlepas tekanan

TCL

Lapisan kontak transparan

TMAl

Trimetilaluminium

TMGa

Trimetilgallium

TMIn

Trimetilindium

u-GaN

GaN tidak di-dope