Stratégie alternative pour réduire la recombinaison de surface pour les diodes électroluminescentes InGaN/GaN :affiner les barrières quantiques pour gérer la propagation du courant

Introduction

En raison des caractéristiques distinctives d'une luminosité élevée, d'une faible consommation d'énergie et d'une longue durée de vie [1], les diodes électroluminescentes (DEL) à base de nitrure III ont suscité un intérêt considérable pour la recherche [2, 3]. Jusqu'à présent, d'énormes progrès ont été réalisés et commercialisés pour les LED bleues InGaN/GaN de grande taille [3], qui ont trouvé des applications dans l'éclairage à semi-conducteurs et les écrans de grande taille. Cependant, les LED InGaN/GaN conventionnelles ont une faible bande passante de modulation, ce qui les rend inappropriées, par exemple, pour la communication par la lumière visible (VLC) [4,5, 6]. Pendant ce temps, la grande taille de la puce réduit la capacité en pixels pour, par exemple, les écrans de téléphone portable, les écrans de montre portable. Par conséquent, au stade actuel, les micro-LED InGaN/GaN (c'est-à-dire les LED ) avec une taille de puce inférieure à 100  μm ont attiré beaucoup d'attention. Malgré les avantages susmentionnés, il reste encore de nombreux problèmes à résoudre pour le développement ultérieur des μLED, tels que le transfert de masse de haute précision [7,8,9] et l'efficacité dépendant de la taille [10]. L'efficacité dépendant de la taille provient des dommages de surface causés par la gravure à sec lors de la fabrication de mesas, et donc un grand nombre de défauts sont générés, donnant lieu à une recombinaison de surface non radiative. Notez que pour différents types de dispositifs optoélectroniques, la qualité cristalline et le transport de charge sont parmi les paramètres essentiels qui affectent les propriétés photoélectroniques [11,12,13,14,15,16]. Uniquement pour les LED, la recombinaison de surface au niveau des régions défectueuses peut réduire considérablement l'efficacité quantique interne (IQE) pour les μLED [17]. Récemment, Kou et al. constatent en outre que lorsque la taille de la puce diminue, les trous sont plus facilement piégés par les défauts et la capacité d'injection de trous peut devenir encore pire pour les μLED avec une taille de puce décroissante [18]. Ainsi, il est important de réduire la densité de défauts des flancs. Une méthode très pratique pour passiver les défauts des parois latérales consiste à déposer la couche de passivation diélectrique [19], ce qui est réalisable en utilisant la méthode de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) ou la méthode de dépôt de couche atomique (ALD). Il est montré que la couche de passivation diélectrique peut mieux annihiler les défauts des parois latérales en utilisant la technique ALD en raison de la qualité encore meilleure de la couche développée [20]. Le nombre de défauts de paroi latérale peut ensuite être encore diminué en recuit thermiquement la couche de passivation [21], ce qui montre l'EQE amélioré même pour la μLED de 6 m × 6 m. Comme cela est bien connu, l'étalement du courant peut devenir encore meilleur lorsque la taille de la puce continue de diminuer en raison de la résistivité latérale réduite [22]. Par conséquent, nous proposons de réduire la résistivité verticale pour mieux confiner le courant dans les mesas, ce qui maintient alors les porteurs à l'écart des défauts de paroi latérale et aide à supprimer la recombinaison non radiative de surface.

Ainsi, pour atteindre la cible, nous proposons de diminuer l'épaisseur des barrières quantiques pour gérer les barrières énergétiques et la résistance verticale. Nos calculs numériques montrent que le courant peut être plus confiné latéralement dans la mesa, ce qui réduit donc la consommation de trous par recombinaison non radiative de surface. La recombinaison non radiative de surface réduite contribue également à faciliter l'injection de trous selon notre précédent rapport [18]. De plus, les barrières quantiques amincies homogénéisent la distribution des trous à travers les multiples puits quantiques (MQW). Les résultats expérimentaux indiquent que l'EQE pour les μLED avec une épaisseur de barrière quantique réduite est améliorée.

Méthodes de recherche et modèles physiques

Pour prouver l'efficacité des structures proposées dans la suppression de la recombinaison de surface, la promotion de l'injection de trous et l'amélioration de l'EQE pour InGaN-μLEDs, différents ensembles de μLEDs sont conçus, qui sont développés sur des substrats Si orientés [111] en utilisant métal-organique système de dépôt chimique en phase vapeur (MOCVD) [23, 24]. Tous les appareils ont une couche de n-GaN de 4 μm d'épaisseur avec une concentration en électrons de 5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . Ensuite, quatre paires In_0.18 Ga_0.82 Les MQW N/GaN sont utilisés pour produire des photons. Les informations structurelles sont présentées dans le tableau 1. Ensuite, un p-Al_0,15 de 26 nm d'épaisseur Ga_0,85 La couche N sert de couche de blocage d'électrons de type p (p-EBL), pour laquelle le niveau de concentration de trous est de 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , du p-EBL est ensuite coiffé d'une couche de p-GaN de 100 nm d'épaisseur avec une concentration en trous de 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . Enfin, les deux échantillons μLED sont recouverts d'une couche p-GaN de 20 nm. Toutes les LED bleues à base d'InGaN étudiées ont une dimension de puce de 10 × 10 μm ² . L'ITO 200 nm est utilisé comme couche d'étalement de courant, qui est recuite à la température de 500 °C pendant 120 s pour former un contact ohmique avec la couche p-GaN. Ensuite, l'alliage Ti/Al/Ni/Au/ est déposé simultanément sur la couche d'étalement de courant et la couche n-GaN servant respectivement d'électrode p et d'électrode n.

Pour révéler la physique des dispositifs à un niveau approfondi, les dispositifs étudiés sont calculés à l'aide d'APSYS [25, 26], qui peut résoudre de manière cohérente les équations de dérive-diffusion, les équations de Schrödinger et de Poisson. L'efficacité d'extraction de la lumière est fixée à 88,1 % pour les dispositifs flip-chip [27]. Le rapport de décalage de bande d'énergie entre la bande de conduction et la bande de valence dans les MQW InGaN/GaN est fixé à 70:30 [28]. La perte de porteuse due à la recombinaison non radiative est également prise en compte dans nos calculs, y compris la recombinaison Auger avec le coefficient de recombinaison de 1 × 10 ⁻³⁰ cm ⁶ s ⁻¹ et la recombinaison Shockley-Read-Hall (SRH) avec une durée de vie du porteur de 100 µns [29]. La recombinaison non radiative se produisant au niveau des surfaces mesa ne peut être ignorée pour les μLED. Pour modéliser avec précision la recombinaison de surface, les niveaux de piège pour les électrons et les trous sont fixés à 0,24  eV en dessous de la bande de conduction (c'est-à-dire E_c − 0,24 eV) et 0,46 eV au-dessus de la bande de valence (c'est-à-dire E_v + 0,46 eV), respectivement. La section transversale de capture de 3,4 × 10 ⁻¹⁷ cm ² et la densité de piège de 1 × 10 ¹³ cm ⁻³ sont fixés pour les pièges à électrons [30]. La section transversale de capture de 2,1 × 10 ⁻¹⁵ cm ² et la densité de pièges de 1,6 × 10 ¹³ cm ⁻³ sont fixés pour les trous [31]. D'autres paramètres peuvent être trouvés ailleurs [32].

Résultats et discussions

Preuve du meilleur confinement actuel dans la région Mesa en amincissant les barrières quantiques pour les μLED

Il est bien connu qu'une injection de trous plus favorisée peut être obtenue lorsque les barrières quantiques deviennent minces [33]. Cependant, il n'est pas clair si de fines barrières quantiques aident à confiner le courant dans les mesas pour les μLED. Pour aborder le point, nous avons ici les LED A, B et C, pour lesquelles les épaisseurs de barrière quantique, selon le tableau 1, sont fixées à 6 nm, 9 nm et 12 nm, respectivement. Pour exclure l'impact de la recombinaison de surface sur la distribution des porteurs [18], nous ne considérons aucun piège à la périphérie de la mesa pour les μLED étudiées. La figure 1 montre l'EQE et la puissance optique calculées en termes de niveau de densité de courant d'injection pour les μLED A, B et C, respectivement. Comme le montre la figure 1, l'EQE et la puissance optique augmentent lorsque l'épaisseur de la barrière quantique est réduite, de sorte que les valeurs EQE pour les LED A, B et C sont de 28,8%, 24,0% et 22,2% à 40 A/ cm ² .

Calcul de l'EQE et de la densité de puissance optique en termes de densité de courant d'injection pour les μLED A, B et C, respectivement

La figure 2 montre les profils de concentration de trous dans la région MQW pour les LED A, B et C à la densité de courant de 40 A/cm ² . Nous pouvons voir que lorsque l'épaisseur de la barrière quantique est réduite, la concentration de trous dans les puits quantiques augmente. Parallèlement, l'uniformité spatiale de la distribution des trous dans les quatre puits quantiques peut également être améliorée. Par conséquent, les résultats ici pour les μLED sont cohérents avec ceux des LED de grande taille, de sorte que des barrières quantiques correctement minces peuvent favoriser le transport des trous [33]. Comme cela a été mentionné, le courant peut être moins répandu jusqu'au bord de la mesa lorsque des barrières quantiques minces sont adoptées. Nous présentons ensuite la distribution latérale des trous dans le premier puits quantique le plus proche du p-EBL sur la figure 3a. Nous constatons que la concentration de trous diminue avec la position latérale en dehors de l'électrode p. Nous calculons ensuite le niveau d'affaissement pour les trous, qui est défini comme p_left -p_droit /p_gauche . Ici, p_gauche et p_droit sont désignées comme la concentration de trous au bord de la mesa gauche et au bord de la mesa droite, respectivement. Les niveaux de statisme sont de 10,7 %, 10,3 % et 9,8 % pour les μLED A, B et C, respectivement. Pour une meilleure illustration, nous normalisons la concentration de trous latéraux qui est représentée sur la figure 3b. Il montre également que le niveau de statisme augmente à mesure que la barrière quantique devient mince.

Profils de concentration de trous calculés numériquement dans les régions MQW pour les LED A, B et C. Les données sont calculées à la densité de courant de 40 A/cm ² . La figure en médaillon montre la position le long de laquelle les profils de date sont capturés

(un ) Profils de concentration de trous calculés numériquement, et (b ) profils de concentration de trous normalisés dans le premier puits quantique près du p-EBL pour les μLED A, B et C, respectivement. La figure en médaillon montre la position le long de laquelle les profils de concentration de trous sont capturés. Les données sont calculées à la densité de courant de 40 A/cm ²

Nous montrons ensuite les diagrammes de bandes d'énergie pour les μLED A, B et C sur la figure 4a–c. Il illustre que les hauteurs de barrière de bande de valence pour toutes les barrières quantiques diminuent lorsque l'épaisseur de la barrière quantique diminue. La hauteur réduite de la barrière de bande de cantonnière peut mieux faciliter le transport des trous dans la région MQW, ce qui est cohérent avec la figure 2. D'autre part, lorsque les barrières quantiques sont amincies, une résistivité verticale réduite sera générée en conséquence. Selon le rapport de Che et al. [34], lorsque la résistance verticale est réduite, la propagation latérale du courant peut être supprimée de telle sorte que le courant a tendance à être éloigné du bord de la mesa. Cette spéculation est également prouvée lorsque nous nous référons aux Fig. 3a et b.

Diagrammes de bande d'énergie pour les μLED (a ) A, (b ) B, et (c ) C. E_v , et E_fh désignent respectivement la bande de cantonnière et le niveau de quasi-Fermi pour les trous. Le soin des données calculé à la densité de courant de 40 A/cm ²

Comme cela a été mentionné ci-dessus, l'étalement du courant sera amélioré par l'épaississement des barrières quantiques, ce qui affectera sûrement les processus de recombinaison des porteurs. Nous montrons ensuite les rapports entre la recombinaison SRH et la recombinaison radiative au bord pour les mesas (voir Fig. 5). Le ratio est calculé en utilisant \( {R}_{\mathrm{SRH}}/{R}_{\mathrm{rad}}={\int}_0^{{\mathrm{t}}_{\mathrm {M}\mathrm{QW}}}{R}_{\mathrm{SRH}}(x)\times \mathrm{dx}/{\int}_0^{{\mathrm{t}}_{{{ }_{\mathrm{M}}}_{\mathrm{QW}}}}{R}_{\mathrm{rad}}(x)\times \mathrm{dx} \), où R _SSR (x) représente le taux de recombinaison SRH, R _rad (x) désigne le taux de recombinaison radiative, et t_MQW est l'épaisseur totale pour la région MQW. La figure 5 montre que les ratios de R _SSR /R _rad les deux au bord de la mesa diminuent à mesure que l'épaisseur de la barrière quantique augmente, ce qui signifie que le taux de recombinaison radiative peut être amélioré en améliorant l'effet de propagation du courant pour les architectures μLED idéales. Cela signifie que les μLED peuvent posséder un excellent étalement du courant en raison de la taille remarquablement réduite de la puce [21, 22]. Notez que nous n'avons pas encore considéré la recombinaison de surface pour la figure 5. Par conséquent, nous pouvons supposer que le bien meilleur effet d'étalement du courant pour les μLED réalistes peut sacrifier la recombinaison radiative du porteur, qui peut être modélisée en tenant compte des imperfections de surface, et le des discussions détaillées seront faites par la suite.

Ratios du taux de recombinaison SRH intégrée (SRH) et du taux de recombinaison radiative intégrée pour les μLED A, B et C. Encarts (a ), (b ), et (c ) sont les profils du taux de recombinaison SRH (SRH) et du taux de recombinaison radiative au bord de la mesa pour les μLED A, B et C, respectivement. Les données sont calculées à la densité de courant de 40 A/cm ²

Recombinaison de surface réduite en utilisant des MQW avec des barrières quantiques minces

Pour sonder l'impact de la recombinaison de surface sur l'injection de trous pour les LED avec différentes épaisseurs de barrière quantique, nous concevons en outre les μLED I, II et III. Les informations structurelles des MQW pour les LED I, II et III sont identiques à celles des μLED A, B et C (voir Tableau 1), respectivement, sauf que les défauts de surface sont pris en compte pour les LED I, II et III, tels que que la largeur de la région défectueuse pour les LED I, II et III est fixée à 0,5 μm du bord de mesa gravé.

L'EQE et la puissance optique calculées numériquement en fonction de la densité de courant sont démontrées sur la figure 6. La figure 6 montre que lorsque la recombinaison non radiative de surface est considérée, l'intensité optique peut être considérablement diminuée. Par conséquent, cela confirme encore que la recombinaison non radiative de surface ne peut pas être ignorée pour les μLED [10, 17, 18]. En attendant, en accord avec les observations de la figure 1, l'EQE et la puissance optique s'améliorent également lorsque l'épaisseur de la barrière quantique diminue, par exemple, μLED I avec la barrière quantique la plus mince a la plus grande EQE et la puissance optique. L'EQE mesurée expérimentalement pour les LED I et III est montrée dans l'encart Fig. 6a, qui montre la même tendance que les résultats des calculs numériques. De plus, nous mesurons et montrons les spectres d'électroluminescence (EL) normalisés pour les μLED I et III sur les figures 6b et c, respectivement. La longueur d'onde d'émission maximale pour toutes les μLED testées est d'environ 450  nm. La EL mesurée peut être reproduite par nos modèles. Cela indique que les paramètres physiques que nous avons utilisés sont correctement définis, par exemple, le niveau de polarisation et la composition InN dans les MQW qui déterminent la longueur d'onde d'émission ont été correctement définis.

Calcul de l'EQE et de la densité de puissance optique en termes de densité de courant d'injection pour les μLED I, II et III, respectivement. Encart Fig de (a ) montre l'EQE mesurée expérimentalement pour les μLED I et III, respectivement. Encart chiffres de (b ) et (c ) présentent les spectres EL mesurés et calculés numériquement pour les μLED I et III. Données pour les figues en médaillon (b ) et (c ) sont collectées à la densité de courant de 40 A∕cm ²

Afin de révéler l'effet des défauts de paroi latérale sur l'efficacité d'injection de trous pour les μLED I, II et III, les concentrations de trous sont indiquées sur la figure 7. Notez que la concentration de trous sur la figure 7a est sondée dans la région médiane pour les appareils [comme indiqué par la flèche rouge dans l'encadré de la Fig. 7a]. La figure 7b montre la concentration de trous dans la région défectueuse pour les dispositifs [comme indiqué par la flèche rouge dans l'encart de la figure 7b]. Comme l'illustrent les figures 7a et b, à la fois pour la région non défectueuse et la région de paroi latérale, l'épaisseur réduite des barrières quantiques favorise le transport des trous à travers les MQW. Les résultats ici sont cohérents avec la figure 2. Une comparaison supplémentaire entre les figures 7a et b montre que l'efficacité d'injection de trous dans les régions de paroi latérale défectueuses est évidemment inférieure à celle dans la région non défectueuse. Les observations ici concordent bien avec celles de Kou et al. [18], qui manifeste en outre qu'il est essentiellement nécessaire de rendre le courant moins répandu sur les parois latérales défectueuses en réduisant correctement l'épaisseur de la barrière quantique (voir Fig. 3a et b).

Profils de concentration de trous calculés numériquement dans la région MQW (a ) au centre, (b ) au bord des mesas pour les μLED I, II et III, respectivement. Les données sont calculées à la densité de courant de 40 A/cm ² . Les figures en médaillon montrent la position le long de laquelle les profils de concentration de trous sont capturés

Nous répétons ensuite notre analyse comme nous l'avons fait sur la figure 5, dont les valeurs sont maintenant démontrées sur la figure 8. Nous pouvons voir que le rapport pour R _SSR /R _rad au bord de la mesa augmente lorsque la barrière quantique est épaissie, ce qui est uniquement attribué au taux de recombinaison non radiative de surface considérablement amélioré. Comme nous l'avons proposé, des barrières quantiques épaisses permettent au courant d'arriver aux bords de mesa et de déclencher la recombinaison non radiative de surface. En conséquence, la figure a–c en médaillon montre également que la recombinaison non radiative de surface devient extrêmement forte aux bords de mesa. Le taux de recombinaison non radiative au niveau des parois latérales dépasse même le taux de recombinaison radiative.

Rapports du taux de recombinaison SRH intégrée (SRH) et du taux de recombinaison radiative intégrée pour les μLED I, II et III. Figures en médaillon (a ), (b ), et (c ) sont les profils du taux de recombinaison SRH (SRH) et du taux de recombinaison radiative au bord de la mesa pour les μLED I, II et III, respectivement. Les données sont calculées à la densité de courant de 40 A/cm ²

Conclusions

En résumé, nous avons étudié numériquement et démontré l'impact de différentes épaisseurs de barrière quantique sur l'injection de trous et la propagation du courant pour les μLED à base d'InGaN. Les résultats indiquent qu'en amincissant l'épaisseur de la barrière quantique, un meilleur confinement du courant dans la région mesa peut être activé. En conséquence, l'étalement du courant peut être bien géré pour être en dehors des bords de mesa, ce qui supprime alors la recombinaison non radiative de surface. À la fois numériquement et expérimentalement, nous observons l'amélioration de l'efficacité quantique externe pour les μLED à base d'InGaN avec des barrières quantiques correctement minces. Nous pensons que l'approche proposée est prometteuse pour éliminer le goulot d'étranglement qui limite le développement de LED hautes performances. De plus, la physique des dispositifs présentée dans ce travail augmentera la compréhension des μLED basées sur InGaN.

Disponibilité des données et des matériaux

Les données et l'analyse du présent travail sont disponibles auprès des auteurs correspondants sur demande raisonnable.

Abréviations

μLED :

Microdiodes électroluminescentes

EQE :

Efficacité quantique externe

LED :

Diodes électroluminescentes

InGaN :

Nitrure d'indium et de gallium

GaN :

Nitrure de gallium

VLC :

Communication en lumière visible

IQE :

Efficacité quantique interne

PECVD :

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

ALD :

Dépôt de couche atomique

MQW :

Puits quantiques multiples

MOCVD :

Dépôt chimique en phase vapeur métal-organique

p-EBL :

Couche de blocage d'électrons de type p

APSYS :

Modèles physiques avancés de dispositifs à semi-conducteurs

SSR :

Shockley-Read-Hall