Pengtekan Tensile Meningkatkan Fotoluminescensi LED Titipan Kuantum InGaN/GaN pada Silikon
Abstrak
Studi ini menyelidiki performa fotoluminescensi LED titipan kuantum ganda (MQW) InGaN/GaN yang tumbuh pada substrat silikon. Perangkat ini mengandung arsitektur kontrol tekanan tensile yang berbeda—dotasi silikon periodik δ pada lapisan GaN tipe-n atau sisipan lapisan spasi InGaN/AlGaN—untuk menyelidiki mekanisme rekombinasi yangDimediasi oleh regangan. Pengukuran PL menunjukkan bahwa sampel dengan tekanan tensile yang dilepaskan memiliki efisiensi kuantum eksternal yang jauh lebih unggul, mencapai 17 %—peningkatan tujuh kali lipat dibandingkan konfigurasi dasar. Analisis detail menunjukkan laju rekombinasi non-radiatif yang lebih rendah, yaitu (2,5–2,8) × 10−2 s−1 dibandingkan dengan (3,6–4,7) × 10−2 s−1 untuk sampel reguler. Laju rekombinasi radiatif juga ditingkatkan, diukur pada (5,7–5,8) × 10−3 s−1 versus (9–7) × 10−4 s−1 pada suhu ruangan. Peningkatan ini dikaitkan dengan penindasan keadaan terlokalisasi dangkal pada antarmuka MQW, memungkinkan pusat radiatif dalam dalam lapisan InGaN mendominasi proses rekombinasi.
Latar Belakang
Struktur MQW InGaN/GaN pada silikon, alih-alih safir konvensional, telah menarik perhatian yang meningkat karena potensinya untuk memungkinkan pencahayaan padat biaya rendah, panel tampilan, dan fotonika silikon [1–5]. Tantangan utama terletak pada ketidakcocokan ekspansi termal 56 % antara GaN dan Si, yang menginduksi tekanan tensile yang signifikan dan pembentukan retakan pada film GaN [6–9]. Untuk LED dan dioda laser, lapisan GaN tipe-n yang dotasi silikon sangat penting, menambahkan tekanan tensile lebih lanjut. Upaya terbaru untuk mengatasi masalah ini termasuk penggunaan lapisan perantara dengan tekanan kompresi yang sesuai [10–16], dotasi δ untuk relaksasi regangan [17,18], dan lapisan penutup yang cocok jaring [19,20]. Dotasi silikon δ periodik pada lapisan GaN tipe-n telah menunjukkan menghasilkan lapisan GaN yang lebih halus, kualitas kristal yang lebih tinggi, dan kepadatan retakan yang lebih rendah dibandingkan GaN yang dotasi seragam, terutama dengan mereduksi tekanan tensile [17]. Meskipun beberapa studi telah memeriksa morfologi permukaan, kepadatan dislokasi, dan properti listrik GaN dotasi δ pada safir atau silikon [21–23], jarang yang secara langsung mengaitkan efisiensi luminesensi dengan pelepasan regangan dalam MQW InGaN/GaN—tautan penting untuk optimasi perangkat. Pengukuran regangan tidak langsung, seperti memberikan tekanan mekanis untuk memodulasi medan piezoelektrik, tetap menjadi pendekatan standar untuk mengevaluasi regangan internal karena pengukuran langsung tanpa kerusakan sampel adalah tantangan [24–27]. Dalam semua kasus, spektral fotoluminescensi sangat penting untuk menilai performa perangkat yang terkait dengan regangan.
Dalam pekerjaan ini, kami menyetor struktur LED MQW InGaN/GaN pada substrat silikon kristal. Kami membandingkan lapisan GaN tipe-n yang dotasi seragam silikon dengan lapisan dotasi silikon δ periodik. Selain itu, kami menyisipkan lapisan spasi AlGaN (kompresi) atau InGaN (tensile) tipis di atas lapisan GaN tipe-n yang dotasi seragam untuk menyelidiki lebih lanjut pengaruh tekanan kompresi versus tensile terhadap performa perangkat. Spektra PL steady-state (SS) dan time-resolved (TR) yang bergantung pada suhu menyediakan efisiensi PL relatif dan umur rekombinasi untuk setiap sampel, memungkinkan analisis sistematis mekanisme rekombinasi yang dikontrol oleh regangan.
Metode
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, pertumbuhan epitaksial MQW InGaN/GaN dilakukan dengan pengendapan uap kimia organik logam (MOCVD) mengikuti protokol yang dilaporkan dalam Ref. [17]. Urutan pertumbuhan pada substrat Si (111) terdiri dari lapisan inti AlN 100 nm, lapisan penutup AlGaN yang meningkat secara linier 660 nm, dan lapisan penutup GaN yang tidak dotasi secara naminal 200 nm, yang tumbuh pada 1060 °c, 1060 °c, dan 1020 °c, masing-masing. Untuk sampel S1, S3, dan S4, lapisan GaN tipe-n yang dotasi silikon seragam 1 µm (≈1018 cm−3) ditinggalkan pada penutup. Dalam sampel S3 dan S4, lapisan spasi InGaN 20 nm (≈10 at % In) atau lapisan spasi AlGaN 20 nm (≈20 at % Al) disisipkan setelah lapisan tipe-n. Sampel S2 menggunakan 20 periode dotasi silikon δ diikuti dengan 50 nm GaN yang tidak dotasi secara naminal, mencapai ketebalan total 1 µm. Selanjutnya, enam periode titipan kuantum InGaN/GaN tumbuh pada 800 °c, dengan komposisi indium sekitar 22 at % dan ketebalan rata-rata sumur/barier 2,4 nm/10 nm. Lapisan GaN tipe-p yang dotasi Mg 220 nm akhirnya tumbuh pada 1020 °c.
Pengukuran SSPL menggunakan sistem Zolix-750 dengan excitasi laser pulsed 10 mW, 377 nm dan CCD ANDOR Newton (resolusi 0,09 nm). Kurva peluruhan TRPL direkam menggunakan sistem penghitung foton tunggal yang berkaitan waktu selama 10–300 K.
Gambar 1. Struktur sampel LED MQW pada substrat silikon. S1, S3, dan S4 berisi lapisan GaN tipe-n yang dotasi silikon seragam 1 µm. S3 menyisipkan lapisan spasi InGaN 20 nm; S4 menyisipkan lapisan spasi AlGaN 20 nm. S2 terdiri dari 20 bidang dotasi silikon δ yang dipisahkan oleh 50 nm GaN yang tidak dotasi, berjumlah 1 µm.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 2 menampilkan spektral SSPL semua empat sampel MQW pada 10 K. Spektra menunjukkan osilasi Fabry–Pérot—biasa untuk LED GaN pada silikon karena reflectivitas tinggi pada antarmuka penutup/silikon [28–30]. Setelah dekonvolusi (puncak PL Gaussian dikalikan dengan 1 + A cos(4πnd/λ)), puncak PL intrinsik diekstrak. Sampel S1 menunjukkan puncak hijau tajam pada 531 nm, konsisten dengan bandgap ~22 at % InGaN. Sampel S2 yang dotasi silikon δ bergeser merah ke 579 nm, sementara sampel S3 dengan spasi InGaN sedikit bergeser biru ke 517 nm, dan sampel S4 dengan spasi AlGaN bergeser merah ke 545 nm. Pergeseran ini mengonfirmasi bahwa tekanan tensile pada antarmuka MQW menyebabkan bergeser biru emisi, sementara mekanisme pelepasan regangan (dotasi δ, sisipan AlGaN) menyebabkan bergeser merah. Efek pelepasan regangan dari dotasi silikon δ jauh lebih kuat dibandingkan satu lapisan spasi.
Gambar 2. Spektra SSPL S1–S4 yang dieksitasi oleh laser 377 nm pada 10 K. Inset menunjukkan dekonvolusi sinyal asli untuk S1.
Untuk menyelidiki dinamika rekombinasi, kurva peluruhan TRPL direkam pada panjang gelombang puncak setiap sampel di seluruh 10–300 K. Gambar 3 menunjukkan kurva peluruhan untuk S1 pada suhu representatif. Meskipun model eksponensial tunggal (I(t)=I0e−t/τ) adalah penyederhanaan—beberapa pusat rekombinasi sering memerlukan pemasangan eksponensial multi—ia menghasilkan umur rata-rata τ yang menangkap dinamika PL secara keseluruhan. Hasil umur untuk S1–S4 digambarkan pada Gambar 4a, dan laju rekombinasi yang sesuai k=1/τ ditunjukkan pada Gambar 4b. Sampel yang dilepaskan tekanan tensile S2 dan S4 menunjukkan nilai k yang lebih rendah di semua suhu, menunjukkan total rekombinasi yang lebih rendah. Selain itu, ketergantungan suhu dari k lebih curam untuk sampel ini, mencerminkan peran dominan rekombinasi non-radiatif pada suhu yang lebih tinggi. Dengan menggabungkan k dengan efisiensi PL relatif η (didefinisikan sebagai rasio intensity PL pada suhu T terhadap pada 0 K), komponen radiatif (kr=kη) dan non-radiatif (knr=k(1−η)) diekstrak, seperti yang ditunjukkan untuk S2 pada Gambar 5b.
Gambar 3. Kurva peluruhan TRPL untuk S1 pada 10 K, 100 K, dan 300 K.
Gambar 5a menunjukkan ketergantungan suhu efisiensi PL relatif. S2 dan S4 mencapai efisiensi hingga 17 %, jauh melebihi 2,5 % dari S1 reguler dan 1,6 % dari S3 dengan spasi InGaN. Karena intensity PL hanya mencerminkan rekombinasi radiatif, η secara langsung mengukur fraksi kr/k. Nilai kr dan knr yang diekstrak untuk semua sampel diringkas pada Gambar 6a dan 6b. Pada 300 K, laju non-radiatif untuk S2 dan S4 adalah (2,5–2,8) × 10−2 s−1, yang secara signifikan lebih rendah dibandingkan S1 (3,6 × 10−2 s−1) dan S3 (4,7 × 10−2 s−1). Ini mengonfirmasi bahwa pelepasan regangan menekan jalur non-radiatif yang dimediasi oleh cacat. Sebaliknya, laju radiatif untuk S2 dan S4 tetap tinggi dan stabil terhadap suhu (≈5,7–5,8 × 10−3 s−1 pada 300 K) dibandingkan S1 (9 × 10−4 s−1) dan S3 (7 × 10−4 s−1). Stabilitas kr menunjukkan bahwa pusat radiatif dalam dalam sumur InGaN mendominasi rekombinasi, sementara keadaan antarmuka dangkal—yang dipromosikan oleh tekanan tensile—ditekan dalam struktur yang dilepaskan regangan.
Gambar 6. (a) Laju rekombinasi non-radiatif vs. suhu untuk S1–S4. (b) Laju rekombinasi radiatif vs. suhu untuk S1–S4.
Kesimpulan
Studi SSPL dan TRPL yang bergantung pada suhu MQW InGaN/GaN pada silikon mengungkapkan bahwa penyisipan dotasi silikon δ atau spasi AlGaN secara signifikan mengurangi total laju rekombinasi dan meningkatkan efisiensi PL menjadi 17 %, dibandingkan 2,5 % untuk struktur reguler dan 1,6 % untuk varian spasi InGaN. Peningkatan ini berasal terutama dari laju non-radiatif yang lebih rendah—yang dikaitkan dengan kurangnya dislokasi dan retakan—dan dari laju radiatif yang lebih stabil dan tinggi, mencerminkan dominansi pusat radiatif dalam dalam sumur InGaN ketika tekanan tensile diatasi. Temuan ini memberikan jalur yang jelas untuk mengoptimalkan performa LED MQW pada silikon dengan merangka regangan melalui dotasi δ atau komposisi spasi.
