Optimierung Silicium-dotierter Quantenbarrieren steigert Helligkeit und Effizienz von Acht-Perioden InGaN/GaN Blaue LEDs

Zusammenfassung

Wir untersuchten acht-periodige In_0,2Ga_0,8N/GaN Quantenwellen (QWs) in blauen Licht-emittierenden Dioden (LEDs) mit Silicium (Si) Dotierung in den ersten zwei bis fünf Quantenbarrieren (QBs). Epilagen wurden auf 20-Paar In_0,02Ga_0,98N/GaN Supergittern, als Dehnungsentlastungsschichten (SRLs) dienend, auf strukturierten Saphirsubstraten (PSSs) via Niederdruck-Metallorganischer-Chemischer-Gasphasenabscheidung (LP-MOCVD) gewachsen. Temperaturabhängige Photolumineszenz (PL), Strom-Spannung (I-V), Lichtausbeute (L-I) und hochauflösende Transmissionelektronenmikroskopie (HRTEM) Messungen enthüllten, dass die Probe mit vier Si-dotierten QBs die höchste Trägerlokalisierungsenergie (41 meV), niedrigste Einschaltspannung (3,27 V), günstigste Durchbruchspannung (−6,77 V) und stärkste Lichtausbeute bei hohen Injektionsströmen aufwies. Die reduzierte Barrierehöhe schafft ein weiches Konfinierungspotenzial, was zu besserer Trägerverteilung, unterdrückter Auger-Rekombination und höherer radiativer Effizienz führt. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass ein Vier-QB Si-Dotierungsschema den quanten-eingeschlossenen Stark-Effekt (QCSE) effektiv mildert und die optische Leistung von InGaN/GaN blauen LEDs verbessert.

Hintergrund

Siliciumdotierung in GaN QBs schirmt Polarisationsfelder ab, wodurch der quanten-eingeschlossene Stark-Effekt (QCSE) in InGaN/GaN QWs unterdrückt wird. Diese Unterdrückung steigert markant excitonische radiative Rekombination, wie in mehreren Studien berichtet [1, 2]. In ternären InGaN-Legierungen erzeugen kompositionelle Fluktuationen und spinodale Phasentrennung Indium-reiche Cluster, die als tiefe Trägerfallen wirken, aber auch als mächtige Lokalisierungsstellen, die nicht-radiative Rekombination reduzieren. Die Berücksichtigung von Indium-Inhomogenität ist essenziell für akkurates Modellieren von interner Quantenausbeute (IQE), externer Quantenausbeute (EQE) und Strom-Spannungs-Kennlinien.

Si-dotierte QBs haben gezeigt, dass sie die Nanostruktur von QWs modifizieren, thermische Stabilität fördern, Lichtausbeute verbessern und elektrostatische Entladungsleistung mit steigendem Dotiergrad erhöhen. Sie blockieren auch Lochtransport, was Rekombination in den Well-Bereich zwischen p-GaN und den dotierten Barrieren erzwingt. Jüngste Berichte deuten an, dass 9–12 QW-Perioden auf PSSs signifikante Verbesserungen in Helligkeit und EQE-Droop erzielen. Daher ist Optimierung der Anzahl und Dicke Si-dotierter QBs kritisch für Maximierung der Hochstrom-Blau-LED-Leistung.

Experimentelle Methoden

Abbildung 1 zeigt die epitaktische Struktur der gefertigten Blau-LED-Chips. Epilagen wurden auf c-Ebene PSSs (Pyramidenhöhe 1,5 µm, Intervall 1 µm) mit horizontalem LP-MOCVD-Reaktor abgeschieden. Vorläufer umfassten TMGa, TMIn, TMAl, NH₃, SiH₄ (für Si) und Cp₂Mg (für Mg). Trägergase waren 1:1 Gemisch aus H₂ und N₂. Ein 3-µm undotierter GaN-Puffer folgte einer 3,3-µm n-GaN-Schicht dotiert auf 10¹⁹ cm⁻³. Zwanzig 2/2 nm In_0,02Ga_0,98N/GaN Supergitterpaare dienten als SRLs. Der aktive Bereich umfasste acht 2,5-nm In_0,2Ga_0,8N QWs getrennt durch 8-nm GaN QBs, gewachsen bei 750 °C (QWs) und 900 °C (QBs). Si-Dotierung (≈3×10¹⁷ cm⁻³) wurde auf die ersten zwei (Probe A), drei (Probe B), vier (Probe C) oder fünf (Probe D) QBs angewendet. Eine 20-nm Al_0,16Ga_0,84N Elektronenblockierschicht (EBL) und ein 100-nm p-GaN Fenster (10¹⁹ cm⁻³) wurden bei 950 °C gewachsen. Mesa-Typ Bauelemente (1 mm²) wurden durch ICP-Ätzen definiert, mit ITO-transparenten Kontakten und Cr/Pt/Au ohmschen Schichten.

Elektrische Charakteristiken (I-V, L-I) wurden von 20 mA bis 300 mA bei Raumtemperatur gemessen. Temperaturabhängige PL (10–300 K) nutzte einen 325-nm He-Cd-Laser (45 mW). HRTEM-Bildgebung employed ein 300 kV FE-TEM.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2 zeigt temperaturabhängige PL-Spektren. Alle Proben zeigen erwartetes Abklingen mit steigender Temperatur durch erhöhte nicht-radiative Prozesse. Gauß-Fitting der PL-Peaks (Abbildung 3) offenbart, dass Si-dotierte QBs eine Blauverschiebung relativ zur undotierten Referenz induzieren, was effektive QCSE-Unterdrückung bestätigt. Das Varshni-Typ-Modell fittet die S-förmige Temperaturabhängigkeit, wobei Lokalisierungsenergien von 24 meV (A), 28 meV (B), 41 meV (C) und 13 meV (D) resultieren. Probe C mit vier Si-dotierten QBs zeigt stärkste Lokalisierung, korrelierend mit überlegener radiativer Rekombination.

I-V Kurven (Abbildung 4) zeigen, dass Probe C niedrigste Einschaltspannung (3,27 V) und höchste Durchbruchspannung (−6,77 V) erreicht. Die reduzierte QB-Barrierehöhe in dieser Probe schafft ein glatteres Konfinierungspotenzial, was Auger-Rekombination und Trägerleckage reduziert. L-I Messungen (Abbildung 5) bestätigen, dass Probe C höchste Lichtausbeute bei 300 mA liefert, mit minimaler Sättigung, während Probe D unter schwächster Konfinierung und niedrigster Ausbeute leidet.

HRTEM-Bilder (Abbildungen 6–8) illustrieren Schichtstruktur und kompositionelle Variationen. Probe C zeigt diffusere QW/QB-Grenzflächen, indikativ für Interdiffusion, die das Potenzialbarriere erweicht und Trägerverteilung verbessert. Indium-reiche Cluster und assoziierte Dehnungsrelaxation werden in allen Proben beobachtet, aber stärkste Lokalisierung tritt in Probe C auf. Versetzungsdislokationen fehlen über alle Proben, was die hohe kristalline Qualität durch PSSs und SRLs unterstreicht.

Schlussfolgerungen

Unsere systematische Studie demonstriert, dass Einführung von Si-Dotierung in die ersten vier QBs einer acht-periodigen In_0,2Ga_0,8N/GaN Struktur die günstigsten optischen und elektrischen Leistungen liefert. Das resultierende weiche Konfinierungspotenzial, verstärkte Trägerlokalisierung und reduzierter QCSE unterdrücken kollektiv Auger-Prozesse und Leckage, wodurch Lichtausbeute unter hoher Injektion gesteigert wird. Diese Erkenntnisse bieten einen klaren Pfad für Optimierung Si-dotierter QBs in hocheffizienten blauen LEDs.

Abkürzungen

Al

Aluminium

Cp₂Mg

Bis-cyclopentadienyl Magnesium

EBL

Elektronenblockierschicht (Electron blocking layer)

EQE

Externe Quantenausbeute (External quantum efficiency)

FE-TEM

Feldemissions-Transmissionselektronenmikroskop (Field emission transmission electron microscope)

Ga

Gallium

HRTEM

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (High-resolution transmission electron microscopy)

ICP

Induktiv gekoppeltes Plasma (Inductively coupled plasma)

In

Indium

IQE

Interne Quantenausbeute (Internal quantum efficiency)

ITO

Indium-Zinn-Oxid (Indium tin oxide)

I-V

Strom-Spannung (Current-voltage)

L-I

Lichtausbeute vs. Injektionsstrom (Light-output versus injection current)

LP-MOCVD

Niederdruck-Metallorganische-Chemische-Gasphasenabscheidung (Low-pressure metal-organic chemical vapor deposition)

Mg

Magnesium

N

Stickstoff

n-GaN

n-Typ GaN

NRCs

Nicht-radiative Rekombinationszentren (Non-radiative recombination centers)

PL

Photolumineszenz (Photoluminescence)

PSSs

Strukturierte Saphirsubstrate (Patterned sapphire substrates)

PZ

Piezoelektrisch (Piezoelectric)

QBs

Quantenbarrieren (Quantum barriers)

QCSE

Quanten-eingeschlossener Stark-Effekt (Quantum-confined Stark effect)

QWs

Quantenwellen (Quantum wells)

RT

Raumtemperatur (Room temperature)

Si

Silicium

SiH₄

Silan (Silane)

SRLs

Dehnungsentlastungsschichten (Strain relief layers)

TCL

Transparente Kontaktschicht (Transparent contact layer)

TMAl

Trimethylaluminium

TMGa

Trimethylgallium

TMIn

Trimethylindium

u-GaN

Undotiertes GaN (Undoped GaN)