Optimisation de barrières quantiques dopées silicium boostant luminosité et efficacité de LEDs bleues InGaN/GaN à huit périodes

Résumé

Nous avons investigué des puits quantiques (PQ) In_0,2Ga_0,8N/GaN à huit périodes dans des diodes électroluminescentes (DEL) bleues avec du dopage silicium (Si) introduit dans les deux premières à cinq barrières quantiques (BQ). Les épicouches ont été croissantes sur des super-réseaux In_0,02Ga_0,98N/GaN à 20 paires, servant de couches de relaxation de contrainte (CRC), sur substrats saphir à motifs (PSS) via dépôt chimique en phase vapeur organométallique à basse pression (LP-MOCVD). La photoluminescence (PL) température-dépendante, courant-tension (I-V), lumière-courant (L-I), et microscopie électronique en transmission haute résolution (MET-HR) ont révélé que l'échantillon avec quatre BQ dopés Si exhibait l'énergie de localisation de porteurs la plus élevée (41 meV), la tension de mise en marche la plus basse (3,27 V), la tension de claquage la plus favorable (−6,77 V), et la plus forte sortie lumineuse à forts courants d'injection. La hauteur de barrière réduite crée un potentiel de confinement souple, menant à une meilleure distribution des porteurs, une recombinaison Auger supprimée, et une efficacité radiative plus élevée. Ces résultats démontrent qu'un schéma de dopage Si à quatre BQ atténue efficacement l'effet Stark confiné quantique (QCSE) et améliore la performance optique des DEL bleues InGaN/GaN.

Contexte

Le dopage silicium dans les BQ GaN écrane les champs de polarisation, supprimant ainsi l'effet Stark confiné quantique (QCSE) dans les PQ InGaN/GaN. Cette suppression améliore markedly la recombinaison radiative d'excitons, comme rapporté dans plusieurs études. Dans les alliages ternaires InGaN, les fluctuations de composition et la séparation de phase spinodale créent des clusters riches en indium qui agissent comme pièges de porteurs profonds, mais aussi comme sites de localisation puissants qui réduisent la recombinaison non-radiative. Tenir compte de l'inhomogénéité en indium est essentiel pour un modélage précis de l'efficacité quantique interne (IQE), externe (EQE), et des caractéristiques courant-tension.

Les BQ dopés Si ont montré qu'ils modifient la nanostructure des PQ, favorisent la stabilité thermique, améliorent la puissance de sortie lumineuse, et améliorent la performance de décharge électrostatique à mesure que le niveau de dopage augmente. Ils bloquent aussi le transport de trous, forçant la recombinaison à se produire dans la région de puits entre le p-GaN et les barrières dopées. Des rapports récents indiquent que 9-12 périodes de PQ sur PSS donnent des améliorations significatives en luminosité et EQE droop. Par conséquent, optimiser le nombre et l'épaisseur des BQ dopés Si est critique pour maximiser la performance des DEL bleues à fort courant.

Méthodes Expérimentales

La figure 1 montre la structure épitaxiale des puces DEL bleues fabriquées. Les épicouches ont été déposées sur des PSS plan c (hauteur pyramide 1,5 µm, intervalle 1 µm) en utilisant un réacteur LP-MOCVD horizontal. Les précurseurs incluaient TMGa, TMIn, TMAl, NH₃, SiH₄ (pour Si), et Cp₂Mg (pour Mg). Les gaz porteurs étaient un mélange 1:1 de H₂ et N₂. Une couche tampon GaN non dopée de 3 µm était suivie d'une couche n-GaN de 3,3 µm dopée à 10¹⁹ cm⁻³. Vingt paires de super-réseau In_0,02Ga_0,98N/GaN de 2/2 nm servaient de CRC. La région active comprenait huit PQ In_0,2Ga_0,8N de 2,5 nm séparées par des BQ GaN de 8 nm, croissantes à 750 °C (PQ) et 900 °C (BQ). Le dopage Si (≈3×10¹⁷ cm⁻³) était appliqué aux deux premières (échantillon A), trois (échantillon B), quatre (échantillon C), ou cinq (échantillon D) BQ. Une couche de blocage d'électrons (EBL) Al_0,16Ga_0,84N de 20 nm et une fenêtre p-GaN de 100 nm (10¹⁹ cm⁻³) étaient croissantes à 950 °C. Des dispositifs de type mesa (1 mm²) étaient définis par gravure ICP, avec contacts transparents ITO et couches ohmiques Cr/Pt/Au.

Les caractéristiques électriques (I-V, L-I) étaient mesurées de 20 mA à 300 mA à température ambiante. La PL température-dépendante (10-300 K) utilisait un laser He-Cd 325 nm (45 mW). L'imagerie MET-HR employait un MET à émission de champ 300 kV.

Résultats et Discussion

La figure 2 affiche les spectres PL température-dépendants. Tous les échantillons exhibent l'amortissement attendu avec la température croissante due aux processus non-radiatifs accrus. L'ajustement gaussien des pics PL (Figure 3) révèle que les BQ dopés Si induisent un décalage vers le bleu relatif à la référence non dopée, confirmant une suppression effective du QCSE. Le modèle de type Varshni ajustant la dépendance en température en S donne des énergies de localisation de 24 meV (A), 28 meV (B), 41 meV (C), et 13 meV (D). L'échantillon C, avec quatre BQ dopés Si, montre la localisation la plus forte, corrélant avec une recombinaison radiative supérieure.

Les courbes I-V (Figure 4) montrent que l'échantillon C atteint la tension de mise en marche la plus basse (3,27 V) et la plus haute tension de claquage (−6,77 V). La hauteur de barrière BQ réduite dans cet échantillon crée un potentiel de confinement plus lisse, réduisant la recombinaison Auger et la fuite de porteurs. Les mesures L-I (Figure 5) confirment que l'échantillon C délivre la plus haute sortie lumineuse à 300 mA, avec saturation minimale, tandis que l'échantillon D souffre du confinement le plus faible et de la plus faible sortie.

Les images MET-HR (Figures 6-8) illustrent la structure de couches et les variations compositionnelles. L'échantillon C exhibe des interfaces PQ/BQ plus diffuses, indiquant une interdiffusion qui adoucit la barrière de potentiel et améliore la dispersion des porteurs. Des clusters riches en indium et la relaxation de contrainte associée sont observés dans tous les échantillons, mais la localisation la plus prononcée se produit dans l'échantillon C. Les dislocations de filetage sont absentes à travers les échantillons, soulignant la haute qualité cristalline offerte par les PSS et CRC.

Conclusions

Notre étude systématique démontre qu'introduire un dopage Si dans les quatre premières BQ d'une structure In_0,2Ga_0,8N/GaN à huit périodes donne la performance optique et électrique la plus favorable. Le potentiel de confinement souple résultant, la localisation de porteurs améliorée, et le QCSE réduit collectivement suppriment les processus Auger et la fuite, boostant ainsi la sortie lumineuse sous forte injection. Ces insights fournissent une voie claire pour optimiser les BQ dopés Si dans les DEL bleues à haute efficacité.

Abréviations

Al

Aluminium

Cp₂Mg

Bis-cyclopentadiényl magnésium

EBL

Couche de blocage d'électrons

EQE

Efficacité quantique externe

FE-TEM

Microscope électronique en transmission à émission de champ

Ga

Gallium

HRTEM

Microscopie électronique en transmission haute résolution

ICP

Plasma à couplage inductif

In

Indium

IQE

Efficacité quantique interne

ITO

Oxyde d'indium-étain

I-V

Courant-tension

L-I

Sortie lumineuse versus courant d'injection

LP-MOCVD

Dépôt chimique en phase vapeur organométallique à basse pression

Mg

Magnésium

N

Azote

n-GaN

GaN de type n

NRCs

Centres de recombinaison non-radiative

PL

Photoluminescence

PSSs

Substrats saphir à motifs

PZ

Piézoélectrique

QBs

Barrières quantiques

QCSE

Effet Stark confiné quantique

QWs

Puits quantiques

RT

Température ambiante

Si

Silicium

SiH₄

Silane

SRLs

Couches de relaxation de contrainte

TCL

Couche de contact transparent

TMAl

Triméthylaluminium

TMGa

Triméthylgallium

TMIn

Triméthylindium

u-GaN

GaN non dopé