Strategi Alternatif untuk Mengurangi Rekombinasi Permukaan untuk Dioda Pemancar Cahaya Mikro InGaN/GaN—Menipiskan Hambatan Kuantum untuk Mengelola Penyebaran Saat Ini
Abstrak
Karena rasio permukaan-ke-volume yang tinggi, dioda pemancar cahaya mikro (μLEDs) berbasis InGaN sangat menderita dari rekombinasi permukaan yang disebabkan oleh cacat dinding samping. Selain itu, ketika ukuran chip berkurang, penyebaran arus akan meningkat, yang karenanya membatasi injeksi pembawa dan efisiensi kuantum eksternal (EQE). Dalam karya ini, kami menyarankan untuk mengurangi tingkat rekombinasi nonradiatif pada cacat dinding samping dengan mengelola efek penyebaran saat ini. Untuk tujuan itu, kami secara tepat mengurangi resistivitas vertikal dengan mengurangi ketebalan penghalang kuantum sehingga arus kurang menyebar secara horizontal ke cacat dinding samping. Akibatnya, pembawa jauh lebih sedikit dikonsumsi di jalan rekombinasi nonradiatif permukaan. Hasil perhitungan kami menunjukkan bahwa rekombinasi nonradiatif permukaan yang ditekan dapat lebih mendukung efisiensi injeksi lubang. Kami juga membuat LED yang ditanam pada substrat Si, dan hasil yang diukur konsisten dengan perhitungan numerik, sehingga EQE untuk LED yang diusulkan dengan penghalang kuantum tipis yang tepat dapat ditingkatkan, berkat efek penyebaran arus yang lebih sedikit dan penurunan rekombinasi nonradiatif permukaan.
Pengantar
Karena karakteristik khas kecerahan tinggi, konsumsi daya rendah, dan masa operasi yang lama [1], dioda pemancar cahaya (LED) berbasis III-nitrida telah mendapatkan minat penelitian yang luas [2, 3]. Sejauh ini, kemajuan luar biasa untuk LED biru InGaN/GaN ukuran besar telah dibuat dan dikomersialkan [3], yang telah menemukan aplikasi dalam pencahayaan solid-state dan tampilan panel ukuran besar. Namun, LED InGaN/GaN konvensional memiliki bandwidth modulasi kecil, sehingga tidak cocok untuk, misalnya, komunikasi cahaya tampak (VLC) [4,5,6]. Sementara itu, ukuran chip yang besar membuat kapasitas piksel rendah untuk, misalnya, tampilan ponsel, tampilan jam tangan yang dapat dikenakan. Oleh karena itu, pada tahap saat ini, mikro-LED InGaN/GaN (yaitu, LED) dengan ukuran chip yang lebih kecil dari 100 μm telah menarik banyak perhatian. Terlepas dari keuntungan yang disebutkan di atas, masih banyak masalah yang harus diselesaikan untuk pengembangan LED lebih lanjut, seperti transfer massa presisi tinggi [7,8,9] dan efisiensi yang bergantung pada ukuran [10]. Efisiensi yang bergantung pada ukuran muncul dari kerusakan permukaan yang disebabkan oleh etsa kering saat membuat mesa, dan karenanya sejumlah besar cacat dihasilkan, sehingga menimbulkan rekombinasi permukaan nonradiatif. Catatan, untuk berbagai jenis perangkat optoelektronik, kualitas kristal dan transportasi muatan adalah beberapa parameter penting yang mempengaruhi sifat fotoelektronik [11,12,13,14,15,16]. Uniknya untuk LED, rekombinasi permukaan di daerah yang rusak dapat secara signifikan mengurangi efisiensi kuantum internal (IQE) untuk LED [17]. Baru-baru ini, Kou et al. lebih lanjut menemukan bahwa ketika ukuran chip berkurang, lubang lebih mudah terperangkap oleh cacat dan kemampuan injeksi lubang dapat menjadi lebih buruk untuk LED dengan ukuran chip yang menurun [18]. Oleh karena itu, penting untuk mengurangi kepadatan cacat dinding samping. Metode yang sangat mudah untuk mempasifkan cacat dinding samping adalah dengan mendepositkan lapisan pasivasi dielektrik [19], yang dapat dilakukan dengan menggunakan metode deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD) atau metode deposisi lapisan atom (ALD). Hal ini menunjukkan bahwa lapisan pasivasi dielektrik dapat lebih baik memusnahkan cacat dinding samping dengan menggunakan teknik ALD karena kualitas yang lebih baik untuk lapisan tumbuh [20]. Jumlah cacat dinding samping kemudian dapat dikurangi lebih lanjut dengan menganil lapisan pasif secara termal [21], yang menunjukkan peningkatan EQE bahkan untuk LED 6 μm × 6 μm. Seperti diketahui, penyebaran arus dapat menjadi lebih baik ketika ukuran chip terus berkurang karena resistivitas lateral yang berkurang [22]. Oleh karena itu, kami mengusulkan untuk mengurangi resistivitas vertikal untuk lebih membatasi arus dalam mesas, yang kemudian menjauhkan pembawa dari cacat dinding samping dan membantu menekan rekombinasi nonradiatif permukaan.
Oleh karena itu, untuk mencapai target, kami mengusulkan pengurangan ketebalan hambatan kuantum untuk mengelola hambatan energi dan hambatan vertikal. Perhitungan numerik kami menunjukkan bahwa arus dapat lebih dibatasi secara lateral ke dalam mesa, yang karenanya mengurangi konsumsi lubang dengan rekombinasi nonradiatif permukaan. Rekombinasi nonradiatif permukaan yang berkurang juga membantu memfasilitasi injeksi lubang menurut laporan kami sebelumnya [18]. Lebih lanjut, penghalang kuantum yang menipis menyeragamkan distribusi lubang di beberapa sumur kuantum (MQWs). Hasil eksperimen menunjukkan bahwa EQE untuk LED dengan ketebalan penghalang kuantum berkurang telah 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, rangkaian LED yang berbeda dirancang, yang ditanam pada substrat Si berorientasi [111] dengan menggunakan logam-organik deposisi uap kimia (MOCVD) sistem [23, 24]. Semua perangkat memiliki lapisan n-GaN setebal 4 m dengan konsentrasi elektron 5 × 10
18
cm
−3
. Kemudian, empat pasang In0,18 Ga0,82 MQW N/GaN digunakan untuk menghasilkan foton. Informasi struktural disajikan pada Tabel 1. Selanjutnya, p-Al setebal 26 nm0,15 Ga0,85 Lapisan N berfungsi sebagai lapisan pemblokiran elektron tipe-p (p-EBL), dengan tingkat konsentrasi lubang 3 × 10
17
cm
−3
, dari p-EBL kemudian ditutup dengan lapisan p-GaN setebal 100 nm dengan konsentrasi lubang 3 × 10
17
cm
−3
. Akhirnya, kedua sampel LED ditutupi oleh lapisan p-GaN 20-nm. Semua LED biru berbasis InGaN yang diselidiki memiliki dimensi chip 10 × 10 μm
2
. ITO 200 nm digunakan sebagai lapisan penyebaran arus, yang dianil pada suhu 500 °C selama 120 s untuk membentuk kontak ohmik dengan lapisan p-GaN. Kemudian paduan Ti/Al/Ni/Au/ secara bersamaan diendapkan pada lapisan penyebar arus dan lapisan n-GaN yang masing-masing berfungsi sebagai elektroda-p dan elektroda-n.
Untuk mengungkap fisika perangkat pada tingkat yang mendalam, perangkat yang diselidiki dihitung dengan menggunakan APSYS [25, 26], yang dapat secara mandiri menyelesaikan persamaan difusi-hanyut, persamaan Schrödinger dan Poisson. Efisiensi ekstraksi cahaya diatur ke 88,1% untuk perangkat flip-chip [27]. Rasio offset pita energi antara pita konduksi dan pita valensi dalam MQW InGaN/GaN diatur ke 70:30 [28]. Kehilangan pembawa karena rekombinasi nonradiatif juga dipertimbangkan dalam perhitungan kami, termasuk rekombinasi Auger dengan koefisien rekombinasi 1 × 10
−30
cm
6
s
−1
dan rekombinasi Shockley-Read-Hall (SRH) dengan masa pakai pembawa 100 ns [29]. Rekombinasi nonradiatif yang terjadi pada permukaan mesa tidak dapat diabaikan untuk LEDs. Untuk memodelkan rekombinasi permukaan secara akurat, level perangkap untuk elektron dan hole ditetapkan pada 0,24 eV di bawah pita konduksi (yaitu, Ec 0.24 eV) dan 0.46 eV di atas pita valensi (yaitu, Ev + 0,46 eV), masing-masing. Penampang melintang tangkapan 3,4 × 10
−17
cm
2
dan kepadatan perangkap 1 × 10
13
cm
−3
diatur untuk perangkap elektron [30]. Penampang melintang tangkapan 2,1 × 10
−15
cm
2
dan kepadatan perangkap 1,6 × 10
13
cm
−3
diatur untuk lubang [31]. Parameter lain dapat ditemukan di tempat lain [32].
Hasil dan Diskusi
Bukti Pengurungan Saat Ini yang Lebih Baik di Wilayah Mesa dengan Menipiskan Hambatan Kuantum untuk LED
Diketahui bahwa injeksi lubang yang lebih disukai dapat diperoleh ketika hambatan kuantum menjadi tipis [33]. Namun, tidak jelas apakah penghalang kuantum tipis membantu membatasi arus dalam mesas untuk LED. Untuk mengatasi titik, kita di sini memiliki LED A, B, dan C, yang ketebalan penghalang kuantum, menurut 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 pinggiran mesa untuk LED yang diselidiki. Gambar 1 menunjukkan EQE yang dihitung dan daya optik dalam hal tingkat kerapatan arus injeksi untuk LED A, B, dan C, masing-masing. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1, baik EQE dan daya optik meningkat ketika ketebalan penghalang kuantum berkurang, sehingga nilai EQE untuk LEDs A, B, dan C adalah 28,8%, 24,0%, dan 22,2% pada 40 A/ cm
2
.
EQE dan kerapatan daya optik yang dihitung dalam hal kerapatan arus injeksi untuk LED A, B, dan C, masing-masing
Gambar 2 menunjukkan profil konsentrasi lubang di wilayah MQW untuk LED A, B, dan C pada rapat arus 40 A/cm
2
. Kita bisa melihat ketika ketebalan penghalang kuantum berkurang, konsentrasi lubang di sumur kuantum meningkat. Sementara itu, keseragaman spasial untuk distribusi lubang di keempat sumur kuantum juga dapat ditingkatkan. Oleh karena itu, temuan di sini untuk LED konsisten dengan LED ukuran besar, sehingga hambatan kuantum tipis yang tepat dapat mendorong 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 di sumur kuantum pertama yang paling dekat dengan p-EBL pada Gambar. 3a. Kami menemukan bahwa konsentrasi lubang berkurang seiring dengan posisi lateral selain dari elektroda-p. Kami kemudian menghitung tingkat droop untuk lubang, yang didefinisikan sebagai pkiri -pkanan /pkiri . Di sini, pkiri dan pkanan masing-masing dilambangkan sebagai konsentrasi lubang di tepi mesa kiri dan tepi mesa kanan. Tingkat droop masing-masing adalah 10,7%, 10,3%, dan 9,8% untuk LED A, B, dan C. Untuk ilustrasi yang lebih baik, kami menormalkan konsentrasi lubang lateral yang digambarkan pada Gambar. 3b. Ini juga menunjukkan bahwa level droop meningkat seiring dengan menipisnya penghalang kuantum.
Profil konsentrasi lubang yang dihitung secara numerik di wilayah MQW untuk LED A, B, dan C. Data dihitung pada kerapatan arus 40 A/cm
2
. Gambar sisipan menunjukkan posisi di mana profil tanggal diambil
(a ) Profil konsentrasi lubang yang dihitung secara numerik, dan (b ) profil konsentrasi lubang yang dinormalisasi di sumur kuantum pertama di dekat p-EBL untuk LEDs A, B dan C, masing-masing. Gambar sisipan menunjukkan posisi di mana profil konsentrasi lubang ditangkap. Data dihitung pada kerapatan arus 40 A/cm
2
Kami kemudian menunjukkan diagram pita energi untuk LED A, B, dan C pada Gambar. 4a-c. Ini menggambarkan bahwa ketinggian penghalang pita valensi untuk semua penghalang kuantum berkurang ketika ketebalan penghalang kuantum berkurang. Ketinggian penghalang pita kelambu yang berkurang dapat memfasilitasi transportasi lubang dengan lebih baik melintasi wilayah MQW, yang konsisten dengan Gambar. 2. Di sisi lain, ketika penghalang kuantum menipis, resistivitas vertikal yang berkurang akan dihasilkan secara bersamaan. Menurut laporan oleh Che et al. [34], ketika resistansi vertikal berkurang, penyebaran arus lateral dapat ditekan sedemikian rupa sehingga arus cenderung terpisah dari tepi mesa. Spekulasi ini juga terbukti ketika kita mengacu pada Gambar 3a dan b.
Diagram pita energi untuk LED (a ) A, (b ) B, dan (c ) C. Ev , dan Efh menunjukkan pita kelambu dan tingkat kuasi-Fermi untuk lubang, masing-masing. Perawatan data dihitung pada kerapatan arus 40 A/cm
2
Seperti telah disebutkan di atas, penyebaran arus akan ditingkatkan dengan penebalan hambatan kuantum, yang tentunya akan mempengaruhi proses rekombinasi pembawa. Kami kemudian menunjukkan rasio antara rekombinasi SRH dan rekombinasi radiasi di tepi untuk mesas (lihat Gambar 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 RSRH (x) mewakili tingkat rekombinasi SRH, Rrad (x) menunjukkan laju rekombinasi radiasi, dan tMQW adalah ketebalan total untuk wilayah MQW. Gambar 5 menunjukkan bahwa rasio RSRH/Rrad keduanya di tepi mesa berkurang seiring dengan meningkatnya ketebalan penghalang kuantum, yang berarti bahwa tingkat rekombinasi radiasi dapat ditingkatkan dengan meningkatkan efek penyebaran arus untuk arsitektur LED yang ideal. Ini berarti bahwa LED dapat memiliki penyebaran arus yang sangat baik karena ukuran chip yang sangat berkurang [21, 22]. Catatan, kami belum mempertimbangkan rekombinasi permukaan untuk Gambar 5. Oleh karena itu, kami dapat berspekulasi bahwa efek penyebaran arus yang jauh lebih baik untuk LEDs realistis dapat mengorbankan rekombinasi radiasi pembawa, yang dapat dimodelkan dengan memperhitungkan ketidaksempurnaan permukaan, dan diskusi rinci akan dilakukan selanjutnya.
Rasio laju rekombinasi SRH terintegrasi (SRH) dan laju rekombinasi radiasi terintegrasi untuk LED A, B, dan C. Sisipan (a ), (b ), dan (c ) adalah profil untuk laju rekombinasi SRH (SRH) dan laju rekombinasi radiasi di tepi mesa untuk LED A, B, dan C, masing-masing. Data dihitung pada kerapatan arus 40 A/cm
2
Pengurangan Rekombinasi Permukaan dengan Menggunakan MQW dengan Hambatan Kuantum Tipis
Untuk menyelidiki dampak rekombinasi permukaan pada injeksi lubang untuk LED dengan ketebalan penghalang kuantum yang berbeda, kami selanjutnya merancang LED I, II, dan III. Informasi struktural MQWs untuk LEDs I, II, dan III identik dengan untuk LEDs A, B, dan C (lihat Tabel 1), masing-masing kecuali bahwa cacat permukaan dipertimbangkan untuk LEDs I, II, dan III, seperti bahwa lebar daerah cacat untuk LED I, II, dan III diatur ke 0,5 μm dari tepi mesa yang tergores.
EQE dan daya optik yang dihitung secara numerik sebagai fungsi dari rapat arus ditunjukkan pada Gambar. 6. Gambar 6 menunjukkan bahwa ketika rekombinasi nonradiatif permukaan dipertimbangkan, intensitas optik dapat diturunkan secara signifikan. Oleh karena itu, ini lebih lanjut menegaskan bahwa rekombinasi nonradiatif permukaan tidak dapat diabaikan untuk LED [10, 17, 18]. Sementara itu, sesuai dengan pengamatan pada Gambar. 1, EQE dan daya optik juga meningkat ketika ketebalan penghalang kuantum berkurang, misalnya, LED I dengan penghalang kuantum tertipis memiliki EQE dan kekuatan optik terbesar. EQE yang diukur secara eksperimental untuk LED I dan III ditunjukkan pada inset Gambar 6a, yang menunjukkan tren yang sama dengan hasil perhitungan numerik. Selain itu, kami mengukur dan menunjukkan spektrum elektroluminesensi (EL) yang dinormalisasi untuk LED I dan III masing-masing pada Gambar 6b dan c. Panjang gelombang emisi puncak untuk semua LED yang diuji adalah ~450 nm. EL yang diukur dapat direproduksi oleh model kami. Hal ini menunjukkan bahwa parameter fisik yang kami gunakan telah diatur dengan benar, misalnya, tingkat polarisasi dan komposisi InN dalam MQW yang menentukan panjang gelombang emisi telah diatur dengan benar.
EQE dan kerapatan daya optik dihitung dalam hal kerapatan arus injeksi untuk LED I, II, dan III, masing-masing. Gambar Sisipan dari (a ) menunjukkan EQE yang diukur secara eksperimental untuk LEDs I dan III, masing-masing. Angka sisipan dari (b ) dan (c ) menyajikan spektrum EL yang diukur dan dihitung secara numerik untuk LED I, dan III. Data untuk Gambar inset (b ) dan (c ) dikumpulkan pada kerapatan arus 40 A∕cm
2
Untuk mengungkapkan efek cacat dinding samping pada efisiensi injeksi lubang untuk LEDs I, II, dan III, konsentrasi lubang ditunjukkan pada Gambar. 7. Perhatikan, konsentrasi lubang pada Gambar 7a diperiksa di wilayah tengah untuk perangkat [seperti yang ditunjukkan oleh panah merah di sisipan Gambar 7a]. Gambar 7b menunjukkan konsentrasi lubang di daerah cacat untuk perangkat [seperti yang ditunjukkan oleh panah merah di sisipan Gambar 7b]. Seperti yang diilustrasikan Gambar 7a dan b, baik untuk daerah yang tidak cacat maupun daerah dinding samping, pengurangan ketebalan untuk penghalang kuantum mendukung pengangkutan lubang melintasi MQW. Hasil di sini konsisten dengan Gambar. 2. Perbandingan lebih lanjut antara Gambar 7a dan b menunjukkan bahwa efisiensi injeksi lubang di daerah dinding samping yang rusak jelas lebih rendah daripada di daerah yang tidak rusak. Pengamatan di sini setuju dengan Kou et al. [18], yang selanjutnya memanifestasikan bahwa pada dasarnya diperlukan untuk membuat arus lebih sedikit menyebar ke dinding samping yang cacat dengan mengurangi ketebalan penghalang kuantum (lihat Gambar 3a dan b).
Profil konsentrasi lubang yang dihitung secara numerik di wilayah MQW (a ) di tengah, (b ) di tepi mesa untuk masing-masing LED I, II, dan III. Data dihitung pada kerapatan arus 40 A/cm
2
. Angka sisipan menunjukkan posisi di mana profil konsentrasi lubang ditangkap
Kami kemudian mengulangi analisis kami seperti yang telah kami lakukan pada Gambar. 5, nilai yang sekarang ditunjukkan pada Gambar. 8. Kita dapat melihat bahwa rasio untuk RSRH/Rrad di tepi mesa meningkat ketika penghalang kuantum menebal, yang secara unik dianggap berasal dari tingkat rekombinasi nonradiatif permukaan yang ditingkatkan secara signifikan. Seperti yang telah kami usulkan, penghalang kuantum tebal memungkinkan arus tiba di tepi mesa dan memicu rekombinasi nonradiatif permukaan. Akibatnya, inset Gambar. a-c juga menunjukkan bahwa rekombinasi nonradiatif permukaan menjadi sangat kuat di tepi mesa. Tingkat rekombinasi nonradiatif di dinding samping bahkan melebihi tingkat rekombinasi radiasi.
Rasio tingkat rekombinasi SRH terintegrasi (SRH) dan tingkat rekombinasi radiasi terintegrasi untuk LED I, II, dan III. Angka sisipan (a ), (b ), dan (c ) adalah profil untuk laju rekombinasi SRH (SRH) dan laju rekombinasi radiasi di tepi mesa untuk LED I, II, dan III, masing-masing. Data dihitung pada kerapatan arus 40 A/cm
2
Kesimpulan
Singkatnya, kami telah menyelidiki secara numerik dan menunjukkan dampak dari ketebalan penghalang kuantum yang berbeda pada injeksi lubang dan penyebaran arus untuk LED berbasis InGaN. Hasilnya menunjukkan bahwa dengan menipiskan ketebalan penghalang kuantum, kurungan arus yang lebih baik dalam wilayah mesa dapat diaktifkan. Sejalan dengan itu, penyebaran arus dapat diatur dengan baik untuk dipisahkan dari tepi mesa, yang kemudian menekan rekombinasi nonradiatif permukaan. Baik secara numerik maupun eksperimental, kami mengamati peningkatan efisiensi kuantum eksternal untuk LED berbasis InGaN dengan penghalang kuantum tipis yang tepat. Kami percaya bahwa pendekatan yang diusulkan menjanjikan untuk menghilangkan hambatan yang membatasi pengembangan LED berkinerja tinggi. Selain itu, fisika perangkat yang disajikan dalam karya ini akan meningkatkan pemahaman tentang LED berbasis InGaN.
Ketersediaan Data dan Materi
Data dan analisis dalam karya saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
Singkatan
μLED:
Dioda pemancar cahaya mikro
EQE:
Efisiensi kuantum eksternal
LED:
Dioda pemancar cahaya
InGaN:
Indium galium nitrida
GaN:
Gallium nitrida
VLC:
Komunikasi cahaya yang terlihat
IQE:
Efisiensi kuantum internal
PECVD:
Deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma
ALD:
Deposisi lapisan atom
MQW:
Beberapa sumur kuantum
MOCVD:
Deposisi uap kimia logam-organik
p-EBL:
Lapisan pemblokiran elektron tipe-p
APSYS:
Model Fisik Perangkat Semikonduktor Tingkat Lanjut
