Estratégia alternativa para reduzir a recombinação de superfície para diodos emissores de micro-luz InGaN / GaN - diminuindo as barreiras quânticas para gerenciar a disseminação atual

Resumo

Devido à alta relação superfície-volume, os diodos emissores de luz micro baseados em InGaN (μLEDs) sofrem fortemente de recombinação da superfície que é induzida por defeitos da parede lateral. Além disso, conforme o tamanho do chip diminui, a propagação da corrente será correspondentemente aumentada, o que, portanto, limita ainda mais a injeção de portadora e a eficiência quântica externa (EQE). Neste trabalho, sugerimos reduzir a taxa de recombinação não radiativa em defeitos de parede lateral, gerenciando o efeito de espalhamento atual. Para esse propósito, reduzimos adequadamente a resistividade vertical, diminuindo a espessura da barreira quântica de modo que a corrente seja menos espalhada horizontalmente para os defeitos das paredes laterais. Como resultado, muito menos portadores são consumidos na forma de recombinação de superfície não radiativa. Nossos resultados calculados demonstram que a recombinação não radioativa de superfície suprimida pode favorecer melhor a eficiência de injeção do orifício. Também fabricamos os μLEDs que são cultivados em substratos de Si, e os resultados medidos são consistentes com os cálculos numéricos, de modo que o EQE para os μLEDs propostos com barreiras quânticas adequadamente finas pode ser aprimorado, graças ao menor efeito de espalhamento de corrente e à diminuição recombinação não radiativa de superfície.

Introdução

Devido às características distintas de alto brilho, baixo consumo de energia e longa vida útil de operação [1], diodos emissores de luz (LEDs) à base de nitreto III ganharam amplo interesse de pesquisa [2, 3]. Até agora, um tremendo progresso para LEDs azuis InGaN / GaN de grande porte foi feito e comercializado [3], os quais encontraram aplicações em iluminação de estado sólido e monitores de painel de grande porte. No entanto, os LEDs InGaN / GaN convencionais são de largura de banda de modulação pequena, o que os torna inadequados para, por exemplo, comunicação de luz visível (VLC) [4,5,6]. Enquanto isso, o grande tamanho do chip torna a capacidade de pixel baixa para, por exemplo, telas de telefones celulares, telas de relógios vestíveis. Portanto, no estágio atual, micro-LEDs InGaN / GaN (ou seja, μLEDs) com tamanho de chip menor que 100 μm têm atraído muitas atenções. Apesar das vantagens mencionadas, ainda existem muitas questões a serem resolvidas para o desenvolvimento de μLEDs, como transferência de massa de alta precisão [7,8,9] e eficiência dependente do tamanho [10]. A eficiência dependente do tamanho surge de danos à superfície que são causados por corrosão seca ao fazer mesas e, portanto, um grande número de defeitos são gerados, dando origem a recombinação de superfície não radiativa. Note que para diferentes tipos de dispositivos optoeletrônicos, a qualidade cristalina e o transporte de carga estão entre os parâmetros essenciais que afetam as propriedades fotoeletrônicas [11,12,13,14,15,16]. Exclusivamente para μLEDs, a recombinação da superfície em regiões defeituosas pode reduzir significativamente a eficiência quântica interna (IQE) para μLEDs [17]. Recentemente, Kou et al. Além disso, descobriram que conforme o tamanho do cavaco diminui, os furos são mais facilmente capturados pelos defeitos e a capacidade de injeção do furo pode se tornar ainda pior para μLEDs com tamanho decrescente do cavaco [18]. Assim, é importante reduzir a densidade do defeito da parede lateral. Um método muito conveniente para passivar defeitos da parede lateral é depositar a camada de passivação dielétrica [19], o que é possível usando o método de deposição de vapor químico intensificado por plasma (PECVD) ou método de deposição de camada atômica (ALD). É mostrado que a camada dielétrica de passivação pode aniquilar melhor os defeitos da parede lateral usando a técnica ALD devido à qualidade ainda melhor para a camada crescida [20]. O número de defeitos da parede lateral pode ser reduzido ainda mais pelo recozimento térmico da camada de passivação [21], que mostra o EQE aprimorado mesmo para 6 μm × 6 μm μLED. Como é bem conhecido, o espalhamento de corrente pode se tornar ainda melhor quando o tamanho do chip continua a diminuir devido à resistividade lateral reduzida [22]. Portanto, propomos reduzir a resistividade vertical para melhor confinar a corrente dentro das mesas, o que então mantém os portadores separados dos defeitos das paredes laterais e ajuda a suprimir a recombinação não radiativa da superfície.

Assim, para atingir a meta, propomos diminuir a espessura das barreiras quânticas para gerenciar as barreiras de energia e a resistência vertical. Nossos cálculos numéricos mostram que a corrente pode ser confinada mais lateralmente na mesa, o que reduz o consumo do furo por recombinação não radiativa de superfície. A recombinação de superfície não radioativa reduzida também ajuda a facilitar a injeção do orifício de acordo com nosso relatório anterior [18]. Além disso, as barreiras quânticas diluídas homogeneízam a distribuição de orifícios entre os poços quânticos múltiplos (MQWs). Os resultados experimentais indicam que o EQE para μLEDs com espessura de barreira quântica reduzida é melhorado.

Métodos de pesquisa e modelos de física

Para comprovar a eficácia das estruturas propostas em suprimir a recombinação da superfície, promovendo a injeção do orifício e melhorando o EQE para InGaN-μLEDs, diferentes conjuntos de μLEDs são projetados, os quais são cultivados em substratos de Si orientados [111] usando metal-orgânico sistema de deposição de vapor químico (MOCVD) [23, 24]. Todos os dispositivos têm uma camada n-GaN de 4 μm de espessura com concentração de elétrons de 5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . Então, quatro pares em _0,18 Ga _0,82 N / GaN MQWs são utilizados para produzir fótons. A informação estrutural é apresentada na Tabela 1. A seguir, um p-Al de 26 nm de espessura _0,15 Ga _0,85 A camada N serve como a camada de bloqueio de elétrons do tipo p (p-EBL), para a qual o nível de concentração do buraco é 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , do p-EBL é então tampado com uma camada de p-GaN de 100 nm de espessura com uma concentração de orifício de 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . Finalmente, ambas as amostras de μLED são cobertas por uma camada de p-GaN de 20 nm. Todos os μLEDs azuis baseados em InGaN investigados têm a dimensão do chip de 10 × 10 μm ² . O ITO de 200 nm é utilizado como a camada de espalhamento de corrente, que é recozida à temperatura de 500 ° C por 120 s para formar contato ôhmico com a camada de p-GaN. Então Ti / Al / Ni / Au / liga é simultaneamente depositado na camada de espalhamento de corrente e na camada n-GaN servindo como eletrodo p e eletrodo n, respectivamente.

Para revelar a física do dispositivo em um nível de profundidade, os dispositivos investigados são calculados usando APSYS [25, 26], que pode resolver auto-consistentemente equações de difusão de deriva, equações de Schrödinger e de Poisson. A eficiência de extração de luz é definida em 88,1% para dispositivos flip-chip [27]. A relação de deslocamento da banda de energia entre a banda de condução e a banda de valência nos MQWs InGaN / GaN é definida como 70:30 [28]. A perda de portador devido à recombinação não radiativa também é considerada em nossos cálculos, incluindo a recombinação Auger com o coeficiente de recombinação de 1 × 10 ⁻³⁰ cm ⁶ s ⁻¹ e recombinação Shockley-Read-Hall (SRH) com vida útil do portador de 100 ns [29]. A recombinação não radioativa que ocorre em superfícies de mesa não pode ser ignorada para μLEDs. Para modelar com precisão a recombinação da superfície, os níveis de armadilha para elétrons e buracos são definidos em 0,24 eV abaixo da banda de condução (ou seja, E _c - 0,24 eV) e 0,46 eV acima da banda de valência (ou seja, E _v + 0,46 eV), respectivamente. A seção transversal de captura de 3,4 × 10 ⁻¹⁷ cm ² e a densidade da armadilha de 1 × 10 ¹³ cm ⁻³ são definidos para armadilhas de elétrons [30]. A seção transversal de captura de 2,1 × 10 ⁻¹⁵ cm ² e a densidade da armadilha de 1,6 × 10 ¹³ cm ⁻³ são definidos para furos [31]. Outros parâmetros podem ser encontrados em outro lugar [32].

Resultados e discussões

Prova do melhor confinamento da corrente na região de Mesa ao diminuir as barreiras quânticas para μLEDs

É bem sabido que uma injeção de buraco mais favorecida pode ser obtida quando as barreiras quânticas se tornam finas [33]. No entanto, não está claro se as barreiras quânticas finas ajudam a confinar a corrente dentro de mesas para μLEDs. Para abordar o ponto, temos aqui os μLEDs A, B e C, para os quais as espessuras das barreiras quânticas, de acordo com a Tabela 1, são definidas em 6 nm, 9 nm e 12 nm, respectivamente. Para excluir o impacto da recombinação da superfície na distribuição de portadores [18], não consideramos quaisquer armadilhas na periferia da mesa para os μLEDs investigados. A Figura 1 mostra o EQE calculado e a potência óptica em termos do nível de densidade de corrente de injeção para μLEDs A, B e C, respectivamente. Conforme mostrado na Fig. 1, o EQE e a potência óptica aumentam quando a espessura da barreira quântica é reduzida, de modo que os valores de EQE para μLEDs A, B e C são 28,8%, 24,0% e 22,2% a 40 A / cm ² .

A Figura 2 mostra os perfis de concentração do orifício na região MQW para μLEDs A, B e C na densidade de corrente de 40 A / cm ² . Podemos ver que quando a espessura da barreira quântica é reduzida, a concentração do orifício nos poços quânticos aumenta. Enquanto isso, a uniformidade espacial para a distribuição de orifícios nos quatro poços quânticos também pode ser melhorada. Portanto, os resultados aqui para μLEDs são consistentes com os de LEDs de grande porte, de modo que barreiras quânticas adequadamente finas podem promover o transporte do buraco [33]. Como foi mencionado, a corrente pode ser menos espalhada para a borda da mesa quando barreiras quânticas finas são adotadas. Em seguida, apresentamos a distribuição do buraco lateral no primeiro poço quântico que está mais próximo do p-EBL na Fig. 3a. Descobrimos que a concentração do orifício diminui junto com a posição lateral separada do eletrodo p. Em seguida, calculamos o nível de queda para os furos, que é definido como p _esquerdo -p _direita / p _left . Aqui, p _esquerda e p _certo são denotados como a concentração do orifício na borda esquerda da mesa e na borda direita da mesa, respectivamente. Os níveis de queda são 10,7%, 10,3% e 9,8% para μLEDs A, B e C, respectivamente. Para melhor ilustração, normalizamos a concentração do orifício lateral que é representada na Fig. 3b. Também mostra que o nível de queda aumenta à medida que a barreira quântica se torna mais fina.

Em seguida, mostramos os diagramas de banda de energia para μLEDs A, B e C na Fig. 4a – c. Ele ilustra que as alturas da barreira da banda de valência para todas as barreiras quânticas diminuem quando a espessura da barreira quântica diminui. A altura da barreira da banda de valência reduzida pode facilitar melhor o transporte do furo através da região MQW, o que é consistente com a Fig. 2. Por outro lado, quando as barreiras quânticas são afinadas, uma resistividade vertical reduzida será gerada correspondentemente. De acordo com o relatório de Che et al. [34], quando a resistência vertical é reduzida, o espalhamento da corrente lateral pode ser suprimido de forma que a corrente tende a se afastar da borda da mesa. Essa especulação também é comprovada quando nos referimos às Fig. 3a e b.

Como foi mencionado acima, a propagação atual será aumentada pelo espessamento das barreiras quânticas, o que certamente afetará os processos de recombinação de portadores. Em seguida, mostramos as relações entre a recombinação SRH e a recombinação radiativa na borda das mesas (ver Fig. 5). A proporção é calculada usando \ ({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} \), onde R _SRH (x) representa a taxa de recombinação SRH, R _rad (x) denota a taxa de recombinação radiativa e t _MQW é a espessura total para a região MQW. A Figura 5 mostra que as razões de R _SRH / R _rad ambos na borda da mesa diminuem conforme a espessura da barreira quântica aumenta, o que significa que a taxa de recombinação radiativa pode ser aumentada melhorando o efeito de espalhamento de corrente para arquiteturas μLED ideais. Isso significa que os μLEDs podem possuir excelente espalhamento de corrente devido ao tamanho do chip extremamente reduzido [21, 22]. Observe que ainda não consideramos a recombinação de superfície para a Fig. 5. Portanto, podemos especular que o efeito de espalhamento de corrente muito melhor para μLEDs realistas pode sacrificar a recombinação radiativa do portador, que pode ser modelada levando-se em conta as imperfeições da superfície, e discussões detalhadas serão feitas posteriormente.

Recombinação de superfície reduzida usando MQWs com barreiras quânticas finas

Para investigar o impacto da recombinação da superfície na injeção do orifício para μLEDs com diferentes espessuras de barreira quântica, projetamos ainda μLEDs I, II e III. As informações estruturais dos MQWs para μLEDs I, II e III são idênticas às dos μLEDs A, B e C (ver Tabela 1), respectivamente, exceto que os defeitos de superfície são considerados para μLEDs I, II e III, tais que a largura da região defeituosa para μLEDs I, II e III é definida como 0,5 μm da borda da mesa gravada.

O EQE computado numericamente e a potência óptica em função da densidade de corrente são demonstrados na Fig. 6. A Figura 6 mostra que quando a recombinação não radiativa de superfície é considerada, a intensidade óptica pode ser significativamente diminuída. Portanto, isso confirma ainda que a recombinação não irradiativa de superfície não pode ser ignorada para μLEDs [10, 17, 18]. Nesse ínterim, concordando bem com as observações na Fig. 1, o EQE e a potência óptica também aumentam quando a espessura da barreira quântica diminui, por exemplo, μLED I com a barreira quântica mais fina tem o maior EQE e potência óptica. O EQE medido experimentalmente para μLEDs I e III são mostrados na inserção da Fig. 6a, que mostra a mesma tendência dos resultados do cálculo numérico. Além disso, medimos e mostramos os espectros de eletroluminescência (EL) normalizados para μLEDs I e III na Fig. 6b e c, respectivamente. O comprimento de onda de emissão de pico para todos os μLEDs testados é de ~ 450 nm. O EL medido pode ser reproduzido por nossos modelos. Isso indica que os parâmetros físicos que utilizamos estão definidos corretamente, por exemplo, o nível de polarização e a composição InN nos MQWs que determinam o comprimento de onda de emissão foram definidos corretamente.

A fim de revelar o efeito dos defeitos da parede lateral na eficiência de injeção do orifício para μLEDs I, II e III, as concentrações do orifício são mostradas na Fig. 7. Observe que a concentração do orifício na Fig. 7a é sondada na região do meio para os dispositivos [conforme indicado pela seta vermelha na inserção da Fig. 7a]. A Figura 7b mostra a concentração do orifício na região defeituosa para os dispositivos [conforme indicado pela seta vermelha na inserção da Fig. 7b]. Como as Fig. 7a e b ilustram, tanto para a região não defeituosa quanto para a região da parede lateral, a espessura reduzida para barreiras quânticas favorece o transporte do furo através dos MQWs. Os resultados aqui são consistentes com a Fig. 2. Comparações adicionais entre as Fig. 7a e b mostram que a eficiência de injeção do orifício nas regiões da parede lateral defeituosa é obviamente menor do que na região não defeituosa. As observações aqui concordam bem com Kou et al. [18], que manifesta ainda que é essencialmente necessário fazer com que a corrente se espalhe menos para as paredes laterais defeituosas, reduzindo adequadamente a espessura da barreira quântica (ver Fig. 3a e b).

Em seguida, repetimos nossa análise como fizemos na Fig. 5, cujos valores são agora demonstrados na Fig. 8. Podemos ver que a razão para R _SRH / R _rad na borda da mesa aumenta quando a barreira quântica é engrossada, o que é exclusivamente atribuído à taxa de recombinação não radiativa de superfície significativamente aumentada. Como propusemos, barreiras quânticas espessas permitem que a corrente chegue às bordas da mesa e desencadeie a recombinação não radiativa da superfície. Como resultado, a inserção da Fig. A – c também mostra que a recombinação não radiativa da superfície se torna extremamente forte nas bordas da mesa. A taxa de recombinação não radiativa nas paredes laterais até supera a taxa de recombinação radiativa.

Conclusões

Em resumo, investigamos numericamente e demonstramos o impacto de diferentes espessuras de barreira quântica na injeção do orifício e no espalhamento atual para μLEDs baseados em InGaN. Os resultados indicam que, diminuindo a espessura da barreira quântica, um melhor confinamento da corrente na região da mesa pode ser habilitado. Correspondentemente, o espalhamento da corrente pode ser bem gerenciado para ficar longe das bordas da mesa, o que então suprime a recombinação não radiativa da superfície. Tanto numericamente quanto experimentalmente, observamos a eficiência quântica externa aprimorada para μLEDs baseados em InGaN com barreiras quânticas adequadamente finas. Acreditamos que a abordagem proposta é promissora para remover o gargalo que limita o desenvolvimento de μLEDs de alto desempenho. Além disso, a física do dispositivo apresentada neste trabalho aumentará o entendimento dos μLEDs baseados em InGaN.

Disponibilidade de dados e materiais

Os dados e a análise no presente trabalho estão disponíveis com os autores correspondentes mediante solicitação razoável.

Abreviações

μLEDs:: Micro-díodos emissores de luz
EQE:: Eficiência quântica externa
LEDs:: Diodos emissores de luz
InGaN:: Nitreto de gálio e índio
GaN:: Nitreto de gálio
VLC:: Comunicação de luz visível
IQE:: Eficiência quântica interna
PECVD:: Deposição de vapor químico intensificada por plasma
ALD:: Deposição de camada atômica
MQWs:: Múltiplos poços quânticos
MOCVD:: Deposição de vapor químico orgânico de metal
p-EBL:: Camada de bloqueio de elétrons tipo p
APSYS:: Modelos Físicos Avançados de Dispositivos Semicondutores
SRH:: Shockley-Read-Hall

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