Otimização de Barreiras Quânticas Dopadas com Silício Aumenta Brilho e Eficiência de LEDs Azuis InGaN/GaN de Oito Períodos

Resumo

Investigamos oito poços quânticos (QWs) In_0.2Ga_0.8N/GaN em diodos emissores de luz (LEDs) azuis com dopagem de silício (Si) introduzida nas duas a cinco primeiras barreiras quânticas (QBs). As epicamadas foram crescidas em 20 pares de super-redes In_0.02Ga_0.98N/GaN, servindo como camadas de alívio de tensão (SRLs), em substratos de safira padronizados (PSSs) via deposição química de vapor orgânico metálico de baixa pressão (LP-MOCVD). Medidas de fotoluminescência (PL) dependente de temperatura, corrente-tensão (I-V), luz-saída (L-I) e microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) revelaram que a amostra com quatro QBs dopadas com Si exibiu a maior energia de localização de portadores (41 meV), a menor tensão de ligação (3,27 V), a tensão de ruptura mais favorável (−6,77 V) e a maior saída de luz em correntes de injeção altas. A altura de barreira reduzida cria um potencial de confinamento suave, levando a melhor distribuição de portadores, recombinação Auger suprimida e maior eficiência radiativa. Estes achados demonstram que um esquema de dopagem de Si em quatro QBs mitiga efetivamente o efeito Stark confinado quântico (QCSE) e melhora o desempenho óptico de LEDs azuis InGaN/GaN.

Contexto

A dopagem de silício em QBs de GaN protege campos de polarização, suprimindo assim o efeito Stark confinado quântico (QCSE) em QWs InGaN/GaN. Esta supressão aumenta marcadamente a recombinação radiativa de excítons, conforme relatado em vários estudos [1], [2]. Em ligas ternárias InGaN, flutuações composicionais e separação de fase espinodal criam aglomerados ricos em índio que atuam como armadilhas profundas de portadores, mas também como poderosos sítios de localização que reduzem recombinação não radiativa. Considerar a inhomogeneidade do índio é essencial para modelagem precisa de eficiência quântica interna (IQE), eficiência quântica externa (EQE) e características corrente-tensão.

QBs dopados com Si demonstraram modificar a nanoestrutura de QWs, promover estabilidade térmica, melhorar potência de saída de luz e melhorar desempenho de descarga eletrostática à medida que o nível de dopagem aumenta. Eles também bloqueiam transporte de lacunas, forçando a recombinação a ocorrer na região do poço entre p-GaN e as barreiras dopadas. Relatórios recentes indicam que 9–12 períodos de QW em PSSs produzem melhorias significativas em brilho e EQE droop. Portanto, otimizar o número e espessura de QBs dopados com Si é crítico para maximizar o desempenho de LEDs azuis em alta corrente.

Métodos Experimentais

A Figura 1 mostra a estrutura epitaxial dos chips de LED azul fabricados. As epicamadas foram depositadas em PSSs de plano c (altura da pirâmide 1,5 µm, intervalo 1 µm) usando um reator LP-MOCVD horizontal. Precursores incluíram TMGa, TMIn, TMAl, NH₃, SiH₄ (para Si) e Cp₂Mg (para Mg). Gases transportadores foram uma mistura 1:1 de H₂ e N₂. Um buffer de GaN não dopado de 3 µm foi seguido por uma camada n-GaN de 3,3 µm dopada a 10¹⁹ cm⁻³. Vinte pares de super-rede In_0.02Ga_0.98N/GaN de 2/2 nm serviram como SRLs. A região ativa compreendeu oito QWs de 2,5 nm In_0.2Ga_0.8N separados por QBs de GaN de 8 nm, crescidos a 750 °C (QWs) e 900 °C (QBs). Dopagem de Si (≈3×10¹⁷ cm⁻³) foi aplicada nas primeiras duas (amostra A), três (amostra B), quatro (amostra C) ou cinco (amostra D) QBs. Uma camada bloqueadora de elétrons (EBL) de Al_0.16Ga_0.84N de 20 nm e uma janela de p-GaN de 100 nm (10¹⁹ cm⁻³) foram crescidas a 950 °C. Dispositivos tipo mesa (1 mm²) foram definidos por gravação ICP, com contatos transparentes de ITO e camadas ôhmicas Cr/Pt/Au.

Características elétricas (I-V, L-I) foram medidas de 20 mA a 300 mA à temperatura ambiente. PL dependente de temperatura (10–300 K) usou laser He-Cd de 325 nm (45 mW). Imagens HRTEM empregaram FE-TEM de 300 kV.

Resultados e Discussão

A Figura 2 exibe espectros de PL dependentes de temperatura. Todas as amostras mostram o quenching esperado com aumento de temperatura devido a processos não radiativos aumentados. Ajuste gaussiano dos picos de PL (Figura 3) revela que QBs dopados com Si induzem deslocamento para o azul em relação à referência não dopada, confirmando supressão efetiva do QCSE. O modelo tipo Varshni ajusta a dependência de temperatura em forma de S, resultando em energias de localização de 24 meV (A), 28 meV (B), 41 meV (C) e 13 meV (D). A amostra C, com quatro QBs dopados com Si, mostra a localização mais forte, correlacionando-se com recombinação radiativa superior.

Curvas I-V (Figura 4) mostram que a amostra C atinge a menor tensão de ligação (3,27 V) e a maior tensão de ruptura (−6,77 V). A altura de barreira QB reduzida nesta amostra cria um potencial de confinamento mais suave, reduzindo recombinação Auger e vazamento de portadores. Medidas L-I (Figura 5) confirmam que a amostra C entrega a maior saída de luz a 300 mA, com saturação mínima, enquanto a amostra D sofre do confinamento mais fraco e menor saída.

Imagens HRTEM (Figuras 6–8) ilustram a estrutura de camadas e variações composicionais. A amostra C exibe interfaces QW/QB mais difusas, indicando interdiffusão que suaviza a barreira de potencial e melhora a dispersão de portadores. Aglomerados ricos em índio e relaxamento de tensão associado são observados em todas as amostras, mas a localização mais pronunciada ocorre na amostra C. Discordâncias de rosca estão ausentes em todas as amostras, sublinhando a alta qualidade cristalina proporcionada por PSSs e SRLs.

Conclusões

Nosso estudo sistemático demonstra que introduzir dopagem de Si nas primeiras quatro QBs de uma estrutura In_0.2Ga_0.8N/GaN de oito períodos resulta no desempenho óptico e elétrico mais favorável. O potencial de confinamento suave resultante, localização de portadores aprimorada e QCSE reduzido suprimem coletivamente processos Auger e vazamento, aumentando assim a saída de luz sob alta injeção. Estes insights fornecem um caminho claro para otimizar QBs dopados com Si em LEDs azuis de alta eficiência.

Abreviações

Al

Alumínio

Cp₂Mg

Bisciclopentadienil magnésio

EBL

Camada bloqueadora de elétrons

EQE

Eficiência quântica externa

FE-TEM

Microscópio eletrônico de transmissão de emissão de campo

Ga

Gálio

HRTEM

Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução

ICP

Plasma acoplado indutivamente

In

Índio

IQE

Eficiência quântica interna

ITO

Óxido de índio e estanho

I-V

Corrente-tensão

L-I

Saída de luz versus corrente de injeção

LP-MOCVD

Deposição química de vapor orgânico metálico de baixa pressão

Mg

Magnésio

N

Nitrogênio

n-GaN

GaN tipo n

NRCs

Centros de recombinação não radiativa

PL

Fotoluminescência

PSSs

Substratos de safira padronizados

PZ

Piezoelétrico

QBs

Barreiras quânticas

QCSE

Efeito Stark confinado quântico

QWs

Poços quânticos

RT

Temperatura ambiente

Si

Silício

SiH₄

Silano

SRLs

Camadas de alívio de tensão

TCL

Camada de contato transparente

TMAl

Trimetilalumínio

TMGa

Trimetilgálio

TMIn

Trimetilíndio

u-GaN

GaN não dopado