Engenharia de Tensão de Tração Melhora Fotoluminescência em LEDs de Poço Quântico InGaN/GaN sobre Silício

Resumo

Este estudo investiga desempenho de fotoluminescência de LEDs de poço quântico múltiplo (MQW) InGaN/GaN crescidos em substratos de silício. Dispositivos incorporam arquiteturas distintas de controle de tensão de tração — dopagem periódica δ de silício na camada n-GaN ou inserção de camadas espaçadoras InGaN/AlGaN — para sondar mecanismos de recombinação mediados por deformação. Medidas de PL revelam que amostras com tensão de tração liberada exibem eficiências quânticas externas marcadamente superiores, atingindo 17% — aumento de sete vezes sobre configuração baseline. Análise detalhada mostra taxas de recombinação não-radiativa reduzidas, variando de (2,5–2,8)×10⁻² s⁻¹ comparado com (3,6–4,7)×10⁻² s⁻¹ para amostra regular. Taxas de recombinação radiativa também aprimoradas, medidas em (5,7–5,8)×10⁻³ s⁻¹ versus (9–7)×10⁻⁴ s⁻¹ à temperatura ambiente. Estas melhorias atribuem-se à supressão de estados localizados rasos em interfaces MQW, permitindo centros radiativos profundos dentro de camadas InGaN dominarem processo de recombinação.

Contexto

Estruturas MQW InGaN/GaN em silício, em vez de safira convencional, atraíram atenção crescente por seu potencial para iluminação de estado sólido de baixo custo, painéis de display e fotônica de silício. Desafio primário reside no descompasso de 56% na expansão térmica entre GaN e Si, que induz tensão de tração significativa e formação de trincas no filme de GaN. Para LEDs e diodos laser, camada n-GaN dopada com Si é essencial, adicionando mais tensão de tração. Esforços recentes para mitigar estes problemas incluem uso de camadas intermediárias com tensão compressiva adequada, dopagem δ para relaxamento de deformação, e camadas buffer com rede compatível. Dopagem periódica δ de Si na camada n-GaN mostrou produzir camadas de GaN mais lisas, maior qualidade cristalina e densidade de trincas reduzida comparado a GaN uniformemente dopado, primariamente mitigando tensão de tração. Embora vários estudos tenham examinado morfologia de superfície, densidade de discordâncias e propriedades elétricas de GaN δ-dopado em safira ou silício, poucos correlacionaram diretamente eficiência de luminescência com liberação de deformação em MQWs InGaN/GaN — elo essencial para otimização de dispositivos. Medidas indiretas de deformação, como aplicação de pressão mecânica para modular campos piezoelétricos, permanecem abordagem padrão para avaliar deformação interna porque medição direta sem dano à amostra é desafiadora. Em todos casos, espectros de fotoluminescência são indispensáveis para avaliar desempenho de dispositivos relacionados a deformação.

Neste trabalho, depositamos estruturas de LED MQW InGaN/GaN em substratos de silício cristalino. Comparamos camadas n-GaN uniformemente dopadas com Si com camadas n-GaN periodicamente δ-dopadas. Adicionalmente, introduzimos finas camadas espaçadoras de AlGaN (compressiva) ou InGaN (tração) sobre camada n-GaN uniformemente dopada para investigar influência de tensão compressiva versus tração no desempenho do dispositivo. Espectros de PL em estado estacionário (SS) dependentes de temperatura e PL resolvido no tempo (TR) fornecem eficiências relativas de PL e tempos de vida de recombinação para cada amostra, permitindo análise sistemática de mecanismos de recombinação controlados por deformação.

Métodos

Conforme ilustrado na Figura 1, crescimento epitaxial de MQWs InGaN/GaN realizado por deposição química de vapor organometálica (MOCVD) seguindo protocolo relatado em Ref. [17]. Sequência de crescimento em substrato Si (111) compreendeu camada de nucleação AlN de 100 nm, buffer AlGaN linearmente graduado de 660 nm, e buffer GaN nominalmente não dopado de 200 nm, crescidos a 1060 °C, 1060 °C e 1020 °C, respectivamente. Para amostras S1, S3 e S4, camada n-GaN dopada uniformemente com Si de 1 µm (≈10¹⁸ cm⁻³) depositada no buffer. Nas amostras S3 e S4, espaçador InGaN de 20 nm (≈10% at. In) ou espaçador AlGaN de 20 nm (≈20% at. Al) inserido após camada n-tipo. Amostra S2 empregou 20 períodos de dopagem δ de Si seguidos por 50 nm GaN nominalmente não dopado, atingindo espessura total de 1 µm. Subsequentemente, seis períodos de PQs InGaN/GaN crescidos a 800 °C, com composição de índio de ~22% at. e espessura média de poço/barreira de 2,4 nm/10 nm. Camada p-GaN dopada com Mg de 220 nm finalmente crescida a 1020 °C.

Medidas SSPL utilizaram sistema Zolix-750 com excitação a laser pulsado 377 nm de 10 mW e CCD ANDOR Newton (resolução 0,09 nm). Curvas de decaimento TRPL registradas usando sistema de contagem de fóton único correlacionado no tempo sobre 10–300 K.

Resultados e Discussão

Figura 2 exibe espectros SSPL de todas quatro amostras MQW a 10 K. Espectros exibem oscilações Fabry-Pérot — típicas para LEDs GaN em Si devido à alta reflectividade na interface buffer/Si. Após desconvolução (pico PL Gaussiano multiplicado por 1 + A cos(4πnd/λ)), picos PL intrínsecos extraídos. Amostra S1 mostra pico verde nítido a 531 nm, consistente com lacuna de banda de ~22% at. InGaN. Amostra δ-dopada S2 é deslocada para vermelho a 579 nm, enquanto amostra com espaçador InGaN S3 ligeiramente deslocada para azul a 517 nm, e amostra com espaçador AlGaN S4 deslocada para vermelho a 545 nm. Estes deslocamentos confirmam que tensão de tração nas interfaces MQW desloca emissão para azul, enquanto mecanismos de liberação de deformação (δ-dopagem, inserção AlGaN) deslocam para vermelho. Efeito de liberação de deformação da dopagem δ de Si é notavelmente mais forte que de única camada espaçadora.

Para sondar dinâmica de recombinação, decaimentos TRPL registrados nos comprimentos de onda de pico de cada amostra em 10–300 K. Figura 3 apresenta curvas de decaimento para S1 em temperaturas representativas. Embora modelo exponencial único (I(t)=I₀e⁻ᵗ/τ) seja simplificação — centros de recombinação múltiplos frequentemente necessitam ajustes multi-exponenciais — rende tempo de vida médio τ que captura dinâmica PL geral. Tempos de vida resultantes para S1–S4 plotados na Figura 4a, e taxas de recombinação correspondentes k=1/τ mostradas na Figura 4b. Amostras com tensão de tração liberada S2 e S4 exibem valores k menores em todas temperaturas, indicando recombinação total reduzida. Além disso, dependência de temperatura de k é mais íngreme para estas amostras, refletindo papel dominante de recombinação não-radiativa em temperaturas elevadas. Combinando k com eficiência PL relativa η (definida como razão de intensidade PL na temperatura T para aquela a 0 K), componentes radiativos (kᵣ=kη) e não-radiativos (kₙᵣ=k(1−η)) extraídos, como ilustrado para S2 na Figura 5b.

Figura 5a mostra dependência de temperatura das eficiências PL relativas. S2 e S4 atingem eficiências até 17%, muito excedendo 2,5% do S1 regular e 1,6% da variante com espaçador InGaN S3. Como intensidade PL reflete apenas recombinação radiativa, η mede diretamente fração kᵣ/k. kᵣ e kₙᵣ extraídos para todas amostras resumidos nas Figuras 6a e 6b. A 300 K, taxas não-radiativas para S2 e S4 são (2,5–2,8)×10⁻² s⁻¹, notavelmente menores que para S1 (3,6×10⁻² s⁻¹) e S3 (4,7×10⁻² s⁻¹). Isto confirma que liberação de deformação suprime vias não-radiativas mediadas por defeitos. Inversamente, taxas radiativas para S2 e S4 permanecem altas e estáveis com temperatura (≈5,7–5,8×10⁻³ s⁻¹ a 300 K) comparado a S1 (9×10⁻⁴ s⁻¹) e S3 (7×10⁻⁴ s⁻¹). Estabilidade de kᵣ indica que centros radiativos profundos dentro dos poços InGaN dominam recombinação, enquanto estados de interface rasos — promovidos por tensão de tração — são suprimidos nas estruturas com deformação liberada.

Conclusões

Estudos SSPL e TRPL dependentes de temperatura de MQWs InGaN/GaN em silício revelam que incorporar dopagem δ de Si ou espaçadores AlGaN reduz significativamente taxas totais de recombinação e impulsiona eficiência PL a 17%, comparado com 2,5% para estrutura regular e 1,6% para variante com espaçador InGaN. Melhoria decorre principalmente de taxas não-radiativas menores — atribuídas a menos discordâncias e trincas — e de taxas radiativas mais altas e estáveis, refletindo dominância de centros radiativos profundos nos poços InGaN quando tensão de tração aliviada. Estes achados fornecem caminho claro para otimizar desempenho de LEDs MQW em silício engenheirando deformação através de dopagem δ ou espaçadores composicionais.

Abreviações

IQE

Eficiência quântica interna

LD

Diodo laser

LED

Diodo emissor de luz

MQW

Poço quântico múltiplo

PL

Fotoluminescência

SSPL

Fotoluminescência em estado estacionário

TRPL

Fotoluminescência resolvida no tempo