Mejora de la eficiencia de μLED InGaN/GaN mediante adelgazamiento de barreras cuánticas para reducir la recombinación superficial

Resumen

Debido a la alta relación superficie-volumen, los diodos emisores de luz micro (μLED) basados en InGaN sufren fuertemente de recombinación superficial inducida por defectos en las paredes laterales. Además, a medida que disminuye el tamaño del chip, la dispersión de corriente se mejora correspondientemente, lo que limita aún más la inyección de portadores y la eficiencia cuántica externa (EQE). En este trabajo, sugerimos reducir la tasa de recombinación no radiativa en defectos de paredes laterales gestionando el efecto de dispersión de corriente. Para ello, reducimos adecuadamente la resistividad vertical disminuyendo el espesor de la barrera cuántica para que la corriente se disperse menos horizontalmente hacia los defectos de la pared lateral. Como resultado, muchos menos portadores se consumen por recombinación no radiativa superficial. Nuestros resultados calculados demuestran que la recombinación no radiativa superficial suprimida puede favorecer mejor la eficiencia de inyección de huecos. También fabricamos μLED crecidos en sustratos Si, y los resultados medidos son consistentes con los cálculos numéricos, de modo que la EQE para los μLED propuestos con barreras cuánticas adecuadamente delgadas puede mejorarse, gracias al menor efecto de dispersión de corriente y la disminución de la recombinación no radiativa superficial.

Introducción

Debido a las características distintivas de alto brillo, bajo consumo de energía y larga vida operativa [1], los diodos emisores de luz (LED) basados en III-nitruros han ganado un amplio interés de investigación [2, 3]. Hasta ahora, se ha logrado un tremendo progreso para LEDs azules InGaN/GaN de gran tamaño y se han comercializado [3], encontrando aplicaciones en iluminación de estado sólido y pantallas de paneles grandes. Sin embargo, los LEDs InGaN/GaN convencionales tienen un ancho de banda de modulación pequeño, lo que los hace inadecuados para, por ejemplo, comunicación por luz visible (VLC) [4,5,6]. Mientras tanto, el gran tamaño del chip hace que la capacidad de píxeles sea baja para, por ejemplo, pantallas de teléfonos móviles, relojes portátiles. Por lo tanto, en la etapa actual, los micro-LEDs InGaN/GaN (μLED) con tamaño de chip menor a 100 μm han atraído una amplia atención. A pesar de las ventajas mencionadas, todavía quedan muchos problemas por resolver para el desarrollo ulterior de μLED, como la transferencia masiva de alta precisión [7,8,9] y la eficiencia dependiente del tamaño [10]. La eficiencia dependiente del tamaño surge de daños superficiales causados por grabado en seco al hacer mesas, generando gran número de defectos que dan lugar a recombinación no radiativa superficial. Nótese que, para diferentes tipos de dispositivos optoelectrónicos, la calidad cristalina y el transporte de carga están entre los parámetros esenciales que afectan las propiedades fotoelectrónicas [11,12,13,14,15,16]. Únicamente para μLED, la recombinación superficial en regiones defectuosas puede reducir significativamente la eficiencia cuántica interna (IQE) [17]. Recientemente, Kou et al. encuentran además que a medida que disminuye el tamaño del chip, los huecos son más fácilmente atrapados por los defectos y la capacidad de inyección de huecos puede volverse aún peor para μLED con tamaño de chip decreciente [18]. Por lo tanto, es importante reducir la densidad de defectos en paredes laterales. Un método muy conveniente para pasivar defectos de paredes laterales es depositar una capa de pasivación dieléctrica [19], lo cual es factible usando deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD) o deposición de capas atómicas (ALD). Se muestra que la capa de pasivación dieléctrica puede aniquilar mejor los defectos de paredes laterales usando técnica ALD debido a la calidad aún mejor de la capa crecida [20]. El número de defectos en paredes laterales puede disminuirse aún más recocinando térmicamente la capa de pasivación [21], lo que muestra EQE mejorada incluso para μLED de 6 μm × 6 μm. Como es bien conocido, la dispersión de corriente puede volverse aún mejor cuando el tamaño del chip continúa disminuyendo debido a la resistividad lateral reducida [22]. Por lo tanto, proponemos reducir la resistividad vertical para confinar mejor la corriente dentro de las mesas, lo que mantiene a los portadores alejados de los defectos de paredes laterales y ayuda a suprimir la recombinación no radiativa superficial.

Por lo tanto, para lograr el objetivo, proponemos disminuir el espesor de las barreras cuánticas para gestionar las barreras de energía y la resistencia vertical. Nuestros cálculos numéricos muestran que la corriente puede confinarse más lateralmente en la mesa, reduciendo así el consumo de huecos por recombinación no radiativa superficial. La recombinación no radiativa superficial reducida también ayuda a facilitar la inyección de huecos según nuestro informe previo [18]. Además, las barreras cuánticas adelgazadas homogeneizan la distribución de huecos a través de los pozos cuánticos múltiples (MQW). Los resultados experimentales indican que la EQE para μLED con espesor reducido de barrera cuántica mejora.

Métodos de Investigación y Modelos Físicos

Para demostrar la efectividad de las estructuras propuestas en la supresión de recombinación superficial, promoción de inyección de huecos y mejora de EQE para μLED basados en InGaN, se diseñaron diferentes conjuntos de μLED, crecidos en sustratos Si orientados [111] usando un sistema de deposición química de vapor organometálico (MOCVD) [23, 24]. Todos los dispositivos tienen una capa n-GaN de 4 μm de espesor con concentración de electrones de 5 × 10¹⁸ cm⁻³. Luego, se utilizan cuatro pares de MQW In_0.18Ga_0.82N/GaN para producir fotones. La información estructural se presenta en la Tabla 1. A continuación, una capa p-Al_0.15Ga_0.85N de 26 nm sirve como capa de bloqueo de electrones tipo p (p-EBL), con concentración de huecos de 3 × 10¹⁷ cm⁻³, coronada por una capa p-GaN de 100 nm con concentración de huecos de 3 × 10¹⁷ cm⁻³. Finalmente, ambas muestras de μLED están cubiertas por una capa p-GaN de 20 nm. Todos los μLED azules basados en InGaN investigados tienen dimensión de chip de 10 × 10 μm². Se utiliza ITO de 200 nm como capa de dispersión de corriente, recocida a 500 °C durante 120 s para formar contacto óhmico con la capa p-GaN. Luego, aleación Ti/Al/Ni/Au se deposita simultáneamente en la capa de dispersión de corriente y la capa n-GaN sirviendo como electrodo p y electrodo n, respectivamente.

Para revelar la física del dispositivo a un nivel profundo, los dispositivos investigados se calculan usando APSYS [25, 26], que puede resolver autoconsistentemente ecuaciones de deriva-difusión, Schrödinger y Poisson. La eficiencia de extracción de luz se establece en 88,1% para dispositivos flip-chip [27]. La relación de desplazamiento de banda de energía entre la banda de conducción y la banda de valencia en los MQW InGaN/GaN se establece en 70:30 [28]. La pérdida de portadores debido a recombinación no radiativa también se considera en nuestros cálculos, incluyendo recombinación Auger con coeficiente de recombinación de 1 × 10⁻³⁰ cm⁶s⁻¹ y recombinación Shockley-Read-Hall (SRH) con vida media de portadores de 100 ns [29]. La recombinación no radiativa que ocurre en superficies de mesa no puede ignorarse para μLED. Para modelar con precisión la recombinación superficial, los niveles de trampa para electrones y huecos se establecen a 0,24 eV por debajo de la banda de conducción (E_c − 0,24 eV) y 0,46 eV por encima de la banda de valencia (E_v + 0,46 eV), respectivamente. La sección transversal de captura de 3,4 × 10⁻¹⁷ cm² y densidad de trampas de 1 × 10¹³ cm⁻³ se establecen para trampas de electrones [30]. La sección transversal de captura de 2,1 × 10⁻¹⁵ cm² y densidad de trampas de 1,6 × 10¹³ cm⁻³ se establecen para huecos [31]. Otros parámetros pueden encontrarse en otra parte [32].

Resultados y Discusiones

Prueba del mejor confinamiento de corriente dentro de la región de mesa al adelgazar barreras cuánticas para μLED

Es bien conocido que una inyección de huecos más favorecida puede obtenerse cuando las barreras cuánticas se vuelven delgadas [33]. Sin embargo, no está claro si las barreras cuánticas delgadas ayudan a confinar la corriente dentro de mesas para μLED. Para abordar el punto, aquí tenemos μLED A, B y C, para los cuales los espesores de barrera cuántica, según la Tabla 1, se establecen en 6 nm, 9 nm y 12 nm, respectivamente. Para excluir el impacto de la recombinación superficial en la distribución de portadores [18], no consideramos trampas en la periferia de la mesa para los μLED investigados. La Figura 1 muestra la EQE calculada y la potencia óptica en términos del nivel de densidad de corriente de inyección para μLED A, B y C, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 1, tanto la EQE como la potencia óptica aumentan cuando se reduce el espesor de la barrera cuántica, de modo que los valores de EQE para μLED A, B y C son 28,8%, 24,0% y 22,2% a 40 A/cm².

La Figura 2 muestra los perfiles de concentración de huecos en la región MQW para μLED A, B y C a la densidad de corriente de 40 A/cm². Podemos ver que cuando se reduce el espesor de la barrera cuántica, la concentración de huecos en los pozos cuánticos aumenta. Mientras tanto, la uniformidad espacial para la distribución de huecos en los cuatro pozos cuánticos también puede mejorarse. Por lo tanto, los hallazgos aquí para μLED son consistentes con los de LEDs de gran tamaño, de modo que barreras cuánticas adecuadamente delgadas pueden promover el transporte de huecos [33]. Como se ha mencionado, la corriente puede dispersarse menos hacia el borde de la mesa cuando se adoptan barreras cuánticas delgadas. Luego presentamos la distribución lateral de huecos en el primer pozo cuántico más cercano al p-EBL en la Fig. 3a. Encontramos que la concentración de huecos disminuye junto con la posición lateral alejada del electrodo p. Luego calculamos el nivel de caída para huecos, definido como p_left-p_right/p_left. Aquí, p_left y p_right denotan la concentración de huecos en el borde izquierdo y derecho de la mesa, respectivamente. Los niveles de caída son 10,7%, 10,3% y 9,8% para μLED A, B y C, respectivamente. Para mejor ilustración, normalizamos la concentración lateral de huecos representada en la Fig. 3b. También muestra que el nivel de caída aumenta a medida que la barrera cuántica se vuelve delgada.

Luego mostramos los diagramas de banda de energía para μLED A, B y C en la Fig. 4a–c. Ilustra que las alturas de barrera de banda de valencia para todas las barreras cuánticas disminuyen cuando se reduce el espesor de la barrera cuántica. La altura de barrera de banda de valencia reducida puede facilitar mejor el transporte de huecos a través de la región MQW, lo cual es consistente con la Fig. 2. Por otro lado, cuando las barreras cuánticas se adelgazan, se genera correspondientemente una resistividad vertical reducida. Según el informe de Che et al. [34], cuando se reduce la resistencia vertical, la dispersión lateral de corriente puede suprimirse de modo que la corriente tiende a estar alejada del borde de la mesa. Esta especulación también se prueba al referirnos a la Fig. 3a y b.

Como se mencionó anteriormente, la dispersión de corriente se verá mejorada al engrosar barreras cuánticas, lo que seguramente afectará los procesos de recombinación de portadores. Luego mostramos las ratios entre la recombinación SRH y la recombinación radiativa en el borde de las mesas (ver Fig. 5). La ratio se calcula usando \( {R}_{\mathrm{SRH}}/{R}_{\mathrm{rad}}={\int}_0^{{\mathrm{t}}_{\mathrm{M}\mathrm{QW}}}{R}_{\mathrm{SRH}}(x)\times \mathrm{dx}/{\int}_0^{{\mathrm{t}}_{{{}_{\mathrm{M}}}_{\mathrm{QW}}}}{R}_{\mathrm{rad}}(x)\times \mathrm{dx} \), donde R_SRH(x) representa la tasa de recombinación SRH, R_rad(x) denota la tasa de recombinación radiativa, y t_MQW es el espesor total de la región MQW. La Figura 5 muestra que las ratios de R_SRH/R_rad tanto en el borde de la mesa disminuyen a medida que aumenta el espesor de la barrera cuántica, lo que significa que la tasa de recombinación radiativa puede mejorarse mejorando el efecto de dispersión de corriente para arquitecturas ideales de μLED. Esto significa que los μLED pueden poseer una excelente dispersión de corriente debido al tamaño de chip notablemente reducido [21, 22]. Nótese que no hemos considerado aún la recombinación superficial para la Fig. 5. Por lo tanto, podemos especular que el efecto de dispersión de corriente mucho mejor para μLED realistas puede sacrificar la recombinación radiativa de portadores, lo cual puede modelarse teniendo en cuenta imperfecciones superficiales, y las discusiones detalladas se harán posteriormente.

Reducción de recombinación superficial usando MQW con barreras cuánticas delgadas

Para sondear el impacto de la recombinación superficial en la inyección de huecos para μLED con diferentes espesores de barrera cuántica, diseñamos además μLED I, II y III. La información estructural de los MQW para μLED I, II y III es idéntica a la de μLED A, B y C (ver Tabla 1), respectivamente, excepto que se consideran defectos superficiales para μLED I, II y III, de modo que el ancho de la región defectuosa para μLED I, II y III se establece en 0,5 μm desde el borde de la mesa grabada.

La EQE y potencia óptica calculadas numéricamente en función de la densidad de corriente se demuestran en la Fig. 6. La Figura 6 muestra que cuando se considera la recombinación no radiativa superficial, la intensidad óptica puede disminuir significativamente. Por lo tanto, esto confirma aún más que la recombinación no radiativa superficial no puede ignorarse para μLED [10, 17, 18]. Mientras tanto, de acuerdo con las observaciones en la Fig. 1, la EQE y la potencia óptica también se mejoran cuando disminuye el espesor de la barrera cuántica, por ejemplo, μLED I con la barrera cuántica más delgada tiene la mayor EQE y potencia óptica. Los valores de EQE medidos experimentalmente para μLED I y III se muestran en el inserto de la Fig. 6a, que muestra la misma tendencia que los resultados de cálculo numérico. Además, medimos y mostramos los espectros de electroluminiscencia (EL) normalizados para μLED I y III en la Fig. 6b y c, respectivamente. La longitud de onda de emisión máxima para todos los μLED probados es ~450 nm. El EL medido puede reproducirse con nuestros modelos. Esto indica que los parámetros físicos que hemos utilizado están establecidos correctamente, por ejemplo, el nivel de polarización y la composición de InN en los MQW que determinan la longitud de onda de emisión han sido establecidos adecuadamente.

Para revelar el efecto de los defectos de paredes laterales en la eficiencia de inyección de huecos para μLED I, II y III, se muestran las concentraciones de huecos en la Fig. 7. Nótese que la concentración de huecos en la Fig. 7a se sondea en la región central de los dispositivos [como se indica por la flecha roja en el inserto de la Fig. 7a]. La Figura 7b muestra la concentración de huecos en la región defectuosa de los dispositivos [como se indica por la flecha roja en el inserto de la Fig. 7b]. Como ilustran la Fig. 7a y b, tanto para la región no defectuosa como para la región de pared lateral, el espesor reducido de barreras cuánticas favorece el transporte de huecos a través de los MQW. Los resultados aquí son consistentes con la Fig. 2. La comparación adicional entre la Fig. 7a y b muestra que la eficiencia de inyección de huecos en las regiones de paredes laterales defectuosas es obviamente menor que en la región no defectuosa. Las observaciones aquí concuerdan bien con Kou et al. [18], lo que manifiesta aún más que es esencialmente requerido hacer que la corriente se disperse menos hacia las paredes laterales defectuosas reduciendo adecuadamente el espesor de la barrera cuántica (ver Fig. 3a y b).

Luego repetimos nuestro análisis como hicimos en la Fig. 5, cuyos valores ahora se demuestran en la Fig. 8. Podemos ver que la ratio para R_SRH/R_rad en el borde de la mesa aumenta cuando la barrera cuántica se engrosa, lo cual se atribuye únicamente a la tasa de recombinación no radiativa superficial significativamente mejorada. Como propusimos, las barreras cuánticas gruesas permiten que la corriente llegue a los bordes de la mesa y desencadene la recombinación no radiativa superficial. Como resultado, el inserto Fig. a–c también muestra que la recombinación no radiativa superficial se vuelve extremadamente fuerte en los bordes de la mesa. La tasa de recombinación no radiativa en paredes laterales incluso abruma la tasa de recombinación radiativa.

Conclusiones

En resumen, hemos investigado y demostrado numéricamente el impacto de diferentes espesores de barrera cuántica en la inyección de huecos y la dispersión de corriente para μLED basados en InGaN. Los resultados indican que al adelgazar el espesor de la barrera cuántica, se puede habilitar un mejor confinamiento de corriente dentro de la región de mesa. Correspondientemente, la dispersión de corriente puede gestionarse bien para estar alejada de los bordes de la mesa, lo que suprime la recombinación no radiativa superficial. Tanto numérica como experimentalmente, observamos la mejora de la eficiencia cuántica externa para μLED basados en InGaN con barreras cuánticas adecuadamente delgadas. Creemos que el enfoque propuesto es prometedor para eliminar el cuello de botella que limita el desarrollo de μLED de alto rendimiento. Además, la física del dispositivo presentada en este trabajo aumentará la comprensión de los μLED basados en InGaN.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Los datos y el análisis en el trabajo actual están disponibles de los autores correspondientes bajo solicitud razonable.

Abreviaturas

μLED:

Diodos emisores de luz micro

EQE:

Eficiencia cuántica externa

LED:

Diodo emisor de luz

InGaN:

Nitruro de indio galio

GaN:

Nitruro de galio

VLC:

Comunicación por luz visible

IQE:

Eficiencia cuántica interna

PECVD:

Deposición química de vapor mejorada por plasma

ALD:

Deposición de capas atómicas

MQW:

Pozos cuánticos múltiples

MOCVD:

Deposición química de vapor organometálico

p-EBL:

Capa de bloqueo de electrones tipo p

APSYS:

Modelos Físicos Avanzados de Dispositivos Semiconductores

SRH:

Shockley-Read-Hall