Meningkatkan Efisiensi μLED InGaN/GaN dengan Pengalangan Hambatan Kuantum untuk Mengurangi Rekombinasi Permukaan

Abstrak

Karena rasio permukaan terhadap volume yang tinggi, dioda emissi cahaya mikro (μLED) berbasis InGaN sangat menderita dari rekombinasi permukaan yang diinduksi oleh cacat dinding samping. Selain itu, seiring mengecilnya ukuran chip, penyebaran arus akan meningkat secara sebanding, yang oleh karena itu lebih membatasi injeksi pembawa dan efisiensi kuantum eksternal (EQE). Dalam karya ini, kami menyarankan untuk mengurangi laju rekombinasi nonradiatif pada cacat dinding samping dengan mengelola efek penyebaran arus. Untuk tujuan itu, kami dengan benar mengurangi resistansi vertikal dengan mengurangi ketebalan hambatan kuantum sehingga arus kurang menyebar secara horizontal ke cacat dinding samping. Akibatnya, jauh lebih sedikit pembawa yang dikonsumsi melalui rekombinasi nonradiatif permukaan. Hasil perhitungan kami menunjukkan bahwa rekombinasi nonradiatif permukaan yang terdukung dapat lebih mendukung efisiensi injeksi lubang. Kami juga memproduksi μLED yang tumbuh pada substrat silikon, dan hasil pengukuran konsisten dengan perhitungan numerik, sehingga EQE untuk μLED yang diusulkan dengan hambatan kuantum yang tepat tipis dapat ditingkatkan, berkat efek penyebaran arus yang lebih kecil dan rekombinasi nonradiatif permukaan yang berkurang.

Pendahuluan

Karena karakteristik khasnya yaitu kecerahan tinggi, konsumsi daya rendah, dan umur operasi panjang [1], dioda emissi cahaya (LED) berbasis III-nitride telah menarik minat penelitian yang luas [2, 3]. Sejauh ini, kemajuan besar telah dilakukan untuk LED biru InGaN/GaN ukuran besar dan telah dikomercialkan [3], yang telah menemukan aplikasi dalam pencahayaan estado padak dan panel tampilan ukuran besar. Namun, konvensional InGaN/GaN LED memiliki bandwidth modulasi kecil, sehingga tidak cocok untuk, misalnya, komunikasi cahaya terlihat (VLC) [4,5,6]. Sementara itu, ukuran chip yang besar membuat kapasitas piksel rendah untuk, misalnya, tampilan ponsel seluler, tampilan jam wearable. Oleh karena itu, pada tahap saat ini, InGaN/GaN micro-LED (yaitu, μLED) dengan ukuran chip lebih kecil dari 100 μm telah menarik perhatian luas. Meskipun keuntungan di atas, masih banyak masalah yang harus diatasi untuk pengembangan lebih lanjut μLED, seperti transfer massal presisi tinggi [7,8,9] dan efisiensi yang bergantung pada ukuran [10]. Efisiensi yang bergantung pada ukuran timbul dari kerusakan permukaan yang disebabkan oleh pengeringan kering saat membuat mesas, dan oleh karena itu sejumlah besar cacat dihasilkan, yang mengakibatkan rekombinasi nonradiatif permukaan. Perhatikan, untuk berbagai jenis perangkat optoelektronik, kualitas kristal dan transportasi muatan adalah antara parameter penting yang mempengaruhi properti optoelektronik [11,12,13,14,15,16]. Secara unik untuk μLED, rekombinasi permukaan pada daerah cacat dapat secara signifikan mengurangi efisiensi kuantum internal (IQE) untuk μLED [17]. Baru-baru ini, Kou et al. lebih jauh menemukan bahwa seiring mengecilnya ukuran chip, lubang lebih mudah terjebak oleh cacat dan kemampuan injeksi lubang dapat menjadi lebih buruk untuk μLED dengan mengecilnya ukuran chip [18]. Oleh karena itu, penting untuk mengurangi kepadatan cacat dinding samping. Metode yang sangat nyaman untuk memassivasi cacat dinding samping adalah dengan men deposit lapisan passivasi dielektrik [19], yang dapat dilakukan menggunakan metode depoziasi uap kimia ditingkatkan plasma (PECVD) atau depoziasi lapis atom (ALD). Ditunjukkan bahwa lapisan passivasi dielektrik dapat lebih baik mematikan cacat dinding samping dengan menggunakan teknik ALD karena kualitas lapisan yang tumbuh yang lebih baik [20]. Jumlah cacat dinding samping dapat kemudian berkurang dengan memanaskan termal lapisan passivasi [21], yang menunjukkan EQE yang ditingkatkan bahkan untuk μLED 6 μm × 6 μm. Sebagaimana diketahui, penyebaran arus dapat menjadi lebih baik ketika ukuran chip terus mengecil karena resistansi lateral yang berkurang [22]. Oleh karena itu, kami menyarankan untuk mengurangi resistansi vertikal untuk membatasi arus dengan lebih baik dalam mesas, yang kemudian menjaga pembawa jauh dari cacat dinding samping dan membantu menekan rekombinasi nonradiatif permukaan.

Oleh karena itu, untuk mencapai target, kami menyarankan untuk mengurangi ketebalan hambatan kuantum untuk mengelola hambatan energi dan resistansi vertikal. Perhitungan numerik kami menunjukkan bahwa arus dapat lebih secara lateral terbatas dalam mesa, yang oleh karena itu mengurangi konsumsi lubang oleh rekombinasi nonradiatif permukaan. Rekombinasi nonradiatif permukaan yang berkurang juga membantu memfasilitasi injeksi lubang sesuai dengan laporan kami sebelumnya [18]. Selain itu, hambatan kuantum yang tipis homogenisasi distribusi lubang di seluruh sumur kuantum ganda (MQWs). Hasil eksperimen menunjukkan bahwa EQE untuk μLED dengan ketebalan hambatan kuantum yang berkurang ditingkatkan.

Metode Penelitian dan Model Fisika

Untuk membuktikan efektivitas struktur yang diusulkan dalam menekan rekombinasi permukaan, mempromosikan injeksi lubang, dan meningkatkan EQE untuk InGaN-μLED, berbagai serangkaian μLED dirancang, yang tumbuh pada substrat Si berorientasi [111] dengan menggunakan sistem depoziasi uap kimia logam-organik (MOCVD) [23, 24]. Semua perangkat memiliki lapisan n-GaN tebal 4 μm dengan konsentrasi elektron 5 × 10¹⁸ cm⁻³. Kemudian, empat pasang In_0.18Ga_0.82N/GaN MQWs digunakan untuk menghasilkan foton. Informasi struktural disajikan dalam Tabel 1. Selanjutnya, lapisan p-Al_0.15Ga_0.85N tebal 26 nm berfungsi sebagai lapisan pemblokir elektron tipe p (p-EBL), untuknya tingkat konsentrasi lubang adalah 3 × 10¹⁷ cm⁻³, p-EBL kemudian ditutupi dengan lapisan p-GaN tebal 100 nm dengan konsentrasi lubang 3 × 10¹⁷ cm⁻³. Akhirnya, kedua sampel μLED ditutupi oleh lapisan p-GaN tebal 20 nm. Semua μLED biru berbasis InGaN yang diteliti memiliki dimensi chip 10 × 10 μm². ITO tebal 200 nm digunakan sebagai lapisan penyebar arus, yang dianil pada suhu 500 °C selama 120 s untuk membentuk kontak ohmik dengan lapisan p-GaN. Kemudian paduan Ti/Al/Ni/Au disetorkan secara bersamaan pada lapisan penyebar arus dan lapisan n-GaN masing-masing sebagai elektroda p dan elektroda n.

Untuk mengungkap fisika perangkat secara mendalam, perangkat yang diteliti dihitung dengan menggunakan APSYS [25, 26], yang dapat menyelesaikan persamaan drift-difusi, Schrödinger dan Poisson secara konsisten. Efisiensi ekstraksi cahaya diatur ke 88,1% untuk perangkat flip-chip [27]. Rasio offset energi antara bandas konduksi dan bandas valensi dalam InGaN/GaN MQWs diatur ke 70:30 [28]. Kehilangan pembawa karena rekombinasi nonradiatif juga dipertimbangkan dalam perhitungan kami, termasuk rekombinasi Auger dengan koefisien rekombinasi 1 × 10⁻³⁰ cm⁶s⁻¹ dan rekombinasi Shockley-Read-Hall (SRH) dengan umur pembawa 100 ns [29]. Rekombinasi nonradiatif yang terjadi pada permukaan mesa tidak dapat diabaikan untuk μLED. Untuk memodelkan rekombinasi permukaan dengan akurat, tingkat jebakan untuk elektron dan lubang diatur pada 0,24 eV di bawah bandas konduksi (yaitu, E_c − 0,24 eV) dan 0,46 eV di atas bandas valensi (yaitu, E_v + 0,46 eV), masing-masing. Penangkap silang 3,4 × 10⁻¹⁷ cm² dan kepadatan jebakan 1 × 10¹³ cm⁻³ diatur untuk jebakan elektron [30]. Penangkap silang 2,1 × 10⁻¹⁵ cm² dan kepadatan jebakan 1,6 × 10¹³ cm⁻³ diatur untuk lubang [31]. Parameter lainnya dapat ditemukan di tempat lain [32].

Hasil dan Diskusi

Bukti Penahanan Arus yang Lebih Baik dalam Wilayah Mesa dengan Pengalangan Hambatan Kuantum untuk μLED

Diketahui bahwa injeksi lubang yang lebih diutamakan dapat diperoleh ketika hambatan kuantum menjadi tipis [33]. Namun, tidak jelas apakah hambatan kuantum tipis membantu menahan arus dalam mesas untuk μLED. Untuk menjawab poin ini, kami memiliki μLED A, B, dan C, untuknya ketebalan hambatan kuantum, sesuai dengan Tabel 1, diatur ke 6 nm, 9 nm, dan 12 nm, masing-masing. Untuk mengecualikan dampak rekombinasi permukaan pada distribusi pembawa [18], kami tidak mempertimbangkan jebakan apa pun di tepi mesa untuk μLED yang diteliti. Gambar 1 menunjukkan EQE dan daya optik yang dihitung dalam hal tingkat kepadatan injeksi arus untuk μLED A, B, dan C, masing-masing. Seperti yang ditunjukkan dalam Fig. 1, baik EQE maupun daya optik meningkat ketika ketebalan hambatan kuantum dikurangi, sehingga nilai EQE untuk μLED A, B, dan C adalah 28,8%, 24,0%, dan 22,2% pada 40 A/cm².

Meningkatkan Efisiensi μLED InGaN/GaN dengan Pengalangan Hambatan Kuantum untuk Mengurangi Rekombinasi Permukaan

Gambar 2 menunjukkan profil konsentrasi lubang dalam wilayah MQW untuk μLED A, B, dan C pada kepadatan arus 40 A/cm². Kami dapat melihat ketika ketebalan hambatan kuantum dikurangi, konsentrasi lubang dalam sumur kuantum meningkat. Sementara itu, seragam spasial untuk distribusi lubang dalam empat sumur kuantum juga dapat ditingkatkan. Oleh karena itu, temuan di sini untuk μLED konsisten dengan yang untuk LED ukuran besar, sehingga hambatan kuantum yang tepat tipis dapat mempromosikan transportasi lubang [33]. Seperti yang telah disebutkan, arus dapat kurang menyebar ke tepi mesa ketika hambatan kuantum tipis diadopsi. Kami kemudian menyajikan distribusi lubang lateral dalam sumur kuantum pertama yang paling dekat dengan p-EBL dalam Fig. 3a. Kami menemukan bahwa konsentrasi lubang berkurang bersama posisi lateral jauh dari elektroda p. Kami kemudian menghitung tingkat penurunan untuk lubang, yang didefinisikan sebagai p_left-p_right/p_left. Di sini, p_left dan p_right dinotasikan sebagai konsentrasi lubang di tepi mesa kiri dan tepi mesa kanan, masing-masing. Tingkat penurunan adalah 10,7%, 10,3%, dan 9,8% untuk μLED A, B, dan C, masing-masing. Untuk ilustrasi yang lebih baik, kami menormalisasi konsentrasi lubang lateral yang digambarkan dalam Fig. 3b. Ini juga menunjukkan bahwa tingkat penurunan meningkat seiring hambatan kuantum menjadi tipis.

Kami kemudian menunjukkan diagram bandas energi untuk μLED A, B, dan C dalam Fig. 4a–c. Ini mengilustrasikan bahwa ketinggian hambatan bandas valensi untuk semua hambatan kuantum berkurang ketika ketebalan hambatan kuantum berkurang. Ketinggian hambatan bandas valensi yang berkurang dapat lebih memfasilitasi transportasi lubang melalui wilayah MQW, yang konsisten dengan Fig. 2. Di sisi lain, ketika hambatan kuantum ditipiskan, resistansi vertikal yang berkurang akan dihasilkan secara sebanding. Menurut laporan Che et al. [34], ketika resistansi vertikal berkurang, penyebaran arus lateral dapat ditekan sehingga arus cenderung jauh dari tepi mesa. Spekulasi ini juga terbukti ketika kami merujuk ke Fig. 3a dan b.

Seperti yang telah disebutkan di atas, penyebaran arus akan ditingkatkan dengan mengkental hambatan kuantum, yang pasti akan mempengaruhi proses rekombinasi pembawa. Kami kemudian menunjukkan rasio antara rekombinasi SRH dan rekombinasi radiatif di tepi untuk mesas (lihat Fig. 5). Rasio dihitung dengan menggunakan \( {R}_{\mathrm{SRH}}/{R}_{\mathrm{rad}}={\int}_0^{{\mathrm{t}}_{\mathrm{M}\mathrm{QW}}}{R}_{\mathrm{SRH}}(x)\times \mathrm{dx}/{\int}_0^{{\mathrm{t}}_{{{}_{\mathrm{M}}}_{\mathrm{QW}}}}{R}_{\mathrm{rad}}(x)\times \mathrm{dx} \), di mana R_SRH(x) mewakili laju rekombinasi SRH, R_rad(x) menunjukkan laju rekombinasi radiatif, dan t_MQW adalah ketebalan total untuk wilayah MQW. Gambar 5 menunjukkan bahwa rasio R_SRH/R_rad baik di tepi mesa berkurang seiring peningkatan ketebalan hambatan kuantum, yang berarti laju rekombinasi radiatif dapat ditingkatkan dengan meningkatkan efek penyebaran arus untuk arsitektur μLED ideal. Ini berarti μLED dapat memiliki penyebaran arus yang luar biasa karena ukuran chip yang sangat kecil [21, 22]. Perhatikan, kami belum mempertimbangkan rekombinasi permukaan untuk Fig. 5. Oleh karena itu, kami dapat menyimpulkan bahwa efek penyebaran arus yang jauh lebih baik untuk μLED realistis dapat mengorbankan rekombinasi radiatif pembawa, yang dapat dimodelkan dengan mempertimbangkan ketidaksempurnaan permukaan, dan diskusi rinci akan dilakukan selanjutnya.

Rekombinasi Permukaan yang Dikurangi dengan Menggunakan MQWs dengan Hambatan Kuantum Tipis

Untuk menyelidiki dampak rekombinasi permukaan pada injeksi lubang untuk μLED dengan berbagai ketebalan hambatan kuantum, kami lebih lanjut merancang μLED I, II, dan III. Informasi struktural MQW untuk μLED I, II, dan III identik dengan untuk μLED A, B, dan C (lihat Tabel 1), masing-masing kecuali bahwa cacat permukaan dipertimbangkan untuk μLED I, II, dan III, sehingga lebar daerah cacat untuk μLED I, II, dan III diatur ke 0,5 μm dari tepi mesa yang dietch.

EQE dan daya optik yang dihitung secara numerik sebagai fungsi kepadatan arus ditunjukkan dalam Fig. 6. Gambar 6 menunjukkan bahwa ketika rekombinasi nonradiatif permukaan dipertimbangkan, intensitas optik dapat berkurang secara signifikan. Oleh karena itu, ini lebih mengonfirmasi bahwa rekombinasi nonradiatif permukaan tidak dapat diabaikan untuk μLED [10, 17, 18]. Sementara itu, sesuai dengan pengamatan dalam Fig. 1, EQE dan daya optik juga ditingkatkan ketika ketebalan hambatan kuantum berkurang, misalnya, μLED I dengan hambatan kuantum tertipis memiliki EQE dan daya optik terbesar. EQE yang diukur secara eksperimen untuk μLED I dan III ditunjukkan dalam inset Fig. 6a, yang menunjukkan tren yang sama dengan hasil perhitungan numerik. Selain itu, kami mengukur dan menunjukkan spektrum EL yang dinormalisasi untuk μLED I dan III dalam Fig. 6b dan c, masing-masing. Panjang gelombang emisi puncak untuk semua μLED yang diuji adalah ~450 nm. EL yang diukur dapat direproduksi oleh model kami. Ini menunjukkan bahwa parameter fisika yang kami gunakan telah diatur dengan benar, misalnya, tingkat polarisasi dan komposisi InN dalam MQW yang menentukan panjang gelombang emisi telah diatur dengan baik.

Untuk mengungkap efek cacat dinding samping pada efisiensi injeksi lubang untuk μLED I, II, dan III, konsentrasi lubang ditunjukkan dalam Fig. 7. Perhatikan, konsentrasi lubang dalam Fig. 7a diukur di wilayah tengah untuk perangkat [seperti yang ditunjukkan oleh panah merah dalam inset Fig. 7a]. Gambar 7b menunjukkan konsentrasi lubang dalam wilayah cacat untuk perangkat [seperti yang ditunjukkan oleh panah merah dalam inset Fig. 7b]. Seperti yang diilustrasikan Fig. 7a dan b, baik untuk wilayah non-cacat dan wilayah dinding samping, pengurangan ketebalan hambatan kuantum mendukung transportasi lubang melalui MQW. Hasil di sini konsisten dengan Fig. 2. Perbandingan lebih lanjut antara Fig. 7a dan b menunjukkan bahwa efisiensi injeksi lubang pada wilayah dinding samping yang cacat jelas lebih rendah dari pada wilayah non-cacat. Pengamatan di sini sesuai dengan Kou et al. [18], yang lebih menunjukkan bahwa sangat diperlukan untuk membuat arus kurang menyebar ke dinding samping yang cacat dengan dengan benar mengurangi ketebalan hambatan kuantum (lihat Fig. 3a dan b).

Kami kemudian mengulangi analisis kami seperti yang telah kita lakukan dalam Fig. 5, nilai yang sekarang ditunjukkan dalam Fig. 8. Kami dapat melihat bahwa rasio untuk R_SRH/R_rad di tepi mesa meningkat ketika hambatan kuantum dikental, yang unik disebabkan oleh rekombinasi nonradiatif permukaan yang ditingkatkan secara signifikan. Seperti yang kami usulkan, hambatan kuantum yang tebal memungkinkan arus untuk sampai ke tepi mesa dan memicu rekombinasi nonradiatif permukaan. Akibatnya, inset Fig. a–c juga menunjukkan bahwa rekombinasi nonradiatif permukaan menjadi sangat kuat di tepi mesa. Laju rekombinasi nonradiatif di dinding samping bahkan melampaui laju rekombinasi radiatif.

Kesimpulan

Secara ringkasan, kami telah menyelidiki secara numerik dan mendemonstrasikan dampak berbagai ketebalan hambatan kuantum pada injeksi lubang dan penyebaran arus untuk μLED berbasis InGaN. Hasilnya menunjukkan bahwa dengan menipiskan ketebalan hambatan kuantum, penahanan arus yang lebih baik dalam wilayah mesa dapat diaktifkan. Secara sebanding, penyebaran arus dapat dielola dengan baik untuk jauh dari tepi mesa, yang kemudian menekan rekombinasi nonradiatif permukaan. Secara numerik dan eksperimental, kami mengamati EQE yang ditingkatkan untuk μLED berbasis InGaN dengan hambatan kuantum yang tepat tipis. Kami yakin pendekatan yang diusulkan ini menjanjikan untuk menghapus batas neck yang membatasi pengembangan μLED berkinerja tinggi. Selain itu, fisika perangkat yang disajikan dalam karya ini akan meningkatkan pemahaman terhadap μLED berbasis InGaN.

Ketersediaan Data dan Bahan

Data dan analisis dalam karya saat ini tersedia dari penulis yang sesuai atas permintaan yang wajar.

Singkatan

μLEDs:: Dioda emissi cahaya mikro
EQE:: Efisiensi kuantum eksternal
LEDs:: Dioda emissi cahaya
InGaN:: Indium galium nitrid
GaN:: Galium nitrid
VLC:: Komunikasi cahaya terlihat
IQE:: Efisiensi kuantum internal
PECVD:: Depoziasi uap kimia ditingkatkan plasma
ALD:: Depoziasi lapis atom
MQWs:: Sumur kuantum ganda
MOCVD:: Depoziasi uap kimia logam-organik
p-EBL:: Lapisan pemblokir elektron tipe p
APSYS:: Model Fisika Lanjutan dari Perangkat Semikonduktor
SRH:: Shockley-Read-Hall

Pengaruh Agen Pengarah Struktur terhadap Bentuk Nanorod Hematit: Studi Sintesis Hidrotermal Sensor WS₂ Doped Al dan P: Deteksi Tingkat Tinggi NO, NO₂, dan SO₂ melalui Analisis Prinsip Pertama

bahan nano