Ingeniería de tensión de tracción mejora la fotoluminiscencia en LEDs de pozos cuánticos InGaN/GaN sobre silicio

Resumen

Este estudio investiga el rendimiento de fotoluminiscencia de LEDs de pozos cuánticos múltiples (MQW) InGaN/GaN crecidos sobre sustratos de silicio. Los dispositivos incorporan arquitecturas distintas de control de tensión de tracción —dopaje periódico δ de silicio en la capa n-GaN o inserción de capas espaciadoras InGaN/AlGaN— para sondear mecanismos de recombinación mediados por deformación. Medidas de PL revelan que muestras con tensión de tracción liberada exhiben eficiencias cuánticas externas superiores, alcanzando 17 % —un aumento de siete veces frente a la configuración base. El análisis detallado muestra tasas de recombinación no radiante reducidas, de (2,5–2,8)×10⁻² s⁻¹ comparado con (3,6–4,7)×10⁻² s⁻¹ para la muestra regular. Las tasas de recombinación radiante también mejoran, medidas en (5,7–5,8)×10⁻³ s⁻¹ versus (9–7)×10⁻⁴ s⁻¹ a temperatura ambiente. Estas mejoras se atribuyen a la supresión de estados localizados superficiales en interfaces MQW, permitiendo que centros radiantes profundos en capas InGaN dominen el proceso de recombinación.

Antecedentes

Las estructuras MQW InGaN/GaN sobre silicio, en lugar de zafiro convencional, han atraído creciente atención por su potencial para iluminación de estado sólido, paneles de visualización y fotónica de silicio de bajo coste. El desafío principal radica en el desajuste del 56 % en expansión térmica entre GaN y Si, que induce tensión de tracción significativa y formación de grietas en la película de GaN. Para LEDs y diodos láser, una capa n-GaN dopada con Si es esencial, añadiendo más tensión de tracción. Esfuerzos recientes para mitigar estos problemas incluyen capas intermedias con tensión compresiva adecuada, dopaje δ para relajación de tensión, y capas buffer con malla adaptada. El dopaje periódico δ de Si en la capa n-GaN ha demostrado producir capas GaN más lisas, mayor calidad cristalina y menor densidad de grietas versus GaN dopado uniformemente, principalmente al mitigar tensión de tracción. Aunque varios estudios han examinado morfología superficial, densidad de dislocaciones y propiedades eléctricas de GaN δ-dopado sobre zafiro o silicio, pocos han correlacionado directamente eficiencia de luminiscencia con liberación de tensión en MQW InGaN/GaN —un enlace esencial para optimización de dispositivos. Medidas indirectas de tensión, como aplicar presión mecánica para modular campos piezoeléctricos, siguen siendo el enfoque estándar para evaluar tensión interna porque la medición directa sin dañar la muestra es difícil. En todos los casos, los espectros de fotoluminiscencia son indispensables para evaluar rendimiento de dispositivos relacionados con tensión.

En este trabajo, depositamos estructuras LED MQW InGaN/GaN sobre sustratos de silicio cristalino. Comparamos capas n-GaN dopadas uniformemente con Si con capas n-GaN con dopaje δ periódico. Además, introducimos finas capas espaciadoras AlGaN (compresiva) o InGaN (tracción) sobre la capa n-GaN dopada uniformemente para sondear la influencia de tensión compresiva versus tracción en rendimiento. Espectros de PL en estado estacionario (SS) y resueltos en tiempo (TR) dependientes de temperatura proporcionan eficiencias PL relativas y tiempos de vida de recombinación para cada muestra, permitiendo análisis sistemático de mecanismos de recombinación controlados por tensión.

Métodos

Como ilustra la Figura 1, el crecimiento epitaxial de MQW InGaN/GaN se realizó por deposición química en fase vapor metalorgánica (MOCVD) siguiendo el protocolo de Ref. [17]. La secuencia de crecimiento en sustrato Si (111) comprendió una capa de nucleación AlN de 100 nm, buffer AlGaN graduado linealmente de 660 nm, y buffer GaN nominalmente no dopado de 200 nm, crecidos a 1060 °C, 1060 °C y 1020 °C respectivamente. Para muestras S1, S3 y S4, se depositó capa n-GaN dopada uniformemente con Si de 1 µm (≈10¹⁸ cm⁻³) sobre el buffer. En muestras S3 y S4, se insertó espaciador InGaN de 20 nm (≈10 at % In) o AlGaN de 20 nm (≈20 at % Al) tras la capa n-tipo. Muestra S2 empleó 20 períodos de dopaje δ de Si seguidos de 50 nm GaN nominalmente no dopado, alcanzando espesor total de 1 µm. Posteriormente, crecieron seis períodos de pozos cuánticos InGaN/GaN a 800 °C, con composición indio ~22 at % y espesor medio pozo/barrera 2,4 nm/10 nm. Finalmente creció capa p-GaN dopada Mg de 220 nm a 1020 °C.

Medidas SSPL usaron sistema Zolix‑750 con excitación láser pulsado 377 nm (10 mW) y CCD ANDOR Newton (resolución 0,09 nm). Curvas de decaimiento TRPL se registraron con sistema de conteo de fotones correlacionados en tiempo sobre 10–300 K.

Resultados y Discusión

La Figura 2 muestra espectros SSPL de las cuatro muestras MQW a 10 K. Los espectros exhiben oscilaciones Fabry–Pérot —típicas para LEDs GaN sobre Si debido a alta reflectividad en interfaz buffer/Si. Tras deconvolución (pico PL gaussiano multiplicado por 1 + A cos(4πnd/λ)), se extraen picos PL intrínsecos. Muestra S1 muestra pico verde agudo a 531 nm, consistente con banda prohibida ~22 at % InGaN. Muestra S2 δ-dopada se desplaza al rojo a 579 nm, mientras muestra S3 con espaciador InGaN se desplaza ligeramente al azul a 517 nm, y muestra S4 con espaciador AlGaN se desplaza al rojo a 545 nm. Estos desplazamientos confirman que tensión de tracción en interfaces MQW desplaza emisión al azul, mientras mecanismos de liberación de tensión (δ-dopaje, inserción AlGaN) la desplazan al rojo. El efecto de liberación de tensión del dopaje δ de Si es notablemente más fuerte que el de una sola capa espaciadora.

Para sondear dinámica de recombinación, se registraron decaimientos TRPL en longitudes de onda pico de cada muestra entre 10–300 K. La Figura 3 presenta curvas de decaimiento para S1 a temperaturas representativas. Aunque modelo exponencial simple (I(t)=I₀e^−t/τ) es simplificación —múltiples centros de recombinación a menudo requieren ajustes multi-exponenciales— produce tiempo de vida medio τ que captura dinámica PL general. Los tiempos de vida resultantes para S1–S4 se grafican en Figura 4a, y tasas de recombinación correspondientes k=1/τ en Figura 4b. Muestras S2 y S4 con tensión de tracción liberada exhiben valores k menores en todas temperaturas, indicando recombinación total reducida. Además, la dependencia de temperatura de k es más pronunciada para estas muestras, reflejando papel dominante de recombinación no radiante a temperaturas elevadas. Combinando k con eficiencia PL relativa η (definida como razón de intensidad PL a temperatura T versus 0 K), se extraen componentes radiantes (k_r=kη) y no radiantes (k_nr=k(1−η)), como ilustra Figura 5b para S2.

La Figura 5a muestra dependencia de temperatura de eficiencias PL relativas. S2 y S4 alcanzan eficiencias hasta 17 %, superando ampliamente el 2,5 % de S1 regular y 1,6 % de S3 con espaciador InGaN. Como intensidad PL refleja solo recombinación radiante, η mide directamente fracción k_r/k. Las tasas k_r y k_nr extraídas para todas las muestras se resumen en Figuras 6a y 6b. A 300 K, tasas no radiantes para S2 y S4 son (2,5–2,8)×10⁻² s⁻¹, notablemente menores que S1 (3,6×10⁻² s⁻¹) y S3 (4,7×10⁻² s⁻¹). Esto confirma que liberación de tensión suprime vías no radiantes mediadas por defectos. Inversamente, tasas radiantes para S2 y S4 permanecen altas y estables con temperatura (≈5,7–5,8×10⁻³ s⁻¹ a 300 K) comparado con S1 (9×10⁻⁴ s⁻¹) y S3 (7×10⁻⁴ s⁻¹). La estabilidad de k_r indica que centros radiantes profundos en pozos InGaN dominan la recombinación, mientras estados de interfaz superficiales —promovidos por tensión de tracción— se suprimen en estructuras con tensión liberada.

Conclusiones

Estudios SSPL y TRPL dependientes de temperatura de MQW InGaN/GaN sobre silicio revelan que incorporar dopaje δ de Si o espaciadores AlGaN reduce significativamente tasas de recombinación totales y aumenta eficiencia PL a 17 %, versus 2,5 % para estructura regular y 1,6 % para variante con espaciador InGaN. La mejora proviene principalmente de menores tasas no radiantes —atribuidas a menos dislocaciones y grietas— y tasas radiantes más altas y estables, reflejando dominancia de centros radiantes profundos en pozos InGaN cuando se alivia tensión de tracción. Estos hallazgos proporcionan ruta clara para optimizar rendimiento de LEDs MQW sobre silicio mediante ingeniería de tensión vía dopaje δ o espaciadores composicionales.

Abreviaturas

IQE

Eficiencia cuántica interna

LD

Diodo láser

LED

Diodo emisor de luz

MQW

Pozo cuántico múltiple

PL

Fotoluminiscencia

SSPL

Fotoluminiscencia en estado estacionario

TRPL

Fotoluminiscencia resuelta en tiempo