En ny våglängdsjusteringsmetod i inganbaserade ljusemitterande dioder | vetenskapliga rapporter

En ny våglängdsjusteringsmetod i inganbaserade ljusemitterande dioder | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Tillämpad fysik
  • Elektroniska och spintroniska enheter
  • Elektroniska enheter
  • Två-dimensionella material
  • En rättelse till denna artikel publicerades den 27 februari 2014

Den här artikeln har uppdaterats

Abstrakt

Strävan efter hög intern kvanteffektivitet (IQE) för spektralregimet för gröna utsläpp kallas "green gap" -utmaningen. Nu hoppas forskarna på de InGaN-baserade materialen för att utveckla gröna ljusdioder med hög ljusstyrka. IQE sjunker dock snabbt när emissionens våglängd för InGaN LED ökar genom att ändra tillväxttemperatur eller brunnens tjocklek. I detta dokument föreslås en ny våglängdsjusteringsmetod och LED: s optiska egenskaper undersöks. Genom ytterligare process med indiumfördeponering före InGaN-brunnskiktstillväxt blir indiumfördelningen längs tillväxtriktningen mer enhetlig, vilket leder till ökningen av det genomsnittliga indiuminnehållet i InGaN-brunnskiktet och resulterar i en röd förskjutning av toppvåglängden. Vi finner också att IQE för LED med indiumfördeponering ökar med våglängdsrödskiftet. Ett sådant beroende är motsatt av IQE-våglängdsbeteendet i konventionella InGaN-lysdioder. Förhållandena mellan IQE, våglängd och indium före deponeringsprocess diskuteras.

Introduktion

Under de senaste åren har både InGaN-baserade blå Ljusemitterande dioder (LED) och AlGaInP-lysdioder utvecklats snabbt och används mycket i olika applikationer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 50% extern kvanteffektivitet. Appl. Phys. Lett. 75, 2365–2367 (1999). "Href = / artiklar / srep03389 # ref7 aria-label =" Referens 7 "data-track = klick data-track-label = link> 7. AlGaInP-materialsystemet är det primära materialsystemet för lysdioder med hög ljusstyrka som avger i den långa våglängdsdelen av det synliga spektrumet från 570 nm till 680 nm 4, 5, 6, 50% extern kvanteffektivitet. Appl. Phys. Lett. 75, 2365–2367 (1999). href = / artiklar / srep03389 # ref7 aria-label = "Reference 7" data-track = klick data-track-label = link> 7, medan InGaN-lysdioder har kommersialiserats för applikationer med kort våglängd under 530 nm 1, 2, 3 . Varken InGaN- eller AlGaInP-lysdioder kan avge ljus effektivt i intervallet 530 nm ~ 570 nm. Bristen på lysdioder med hög ljusstyrka i detta område kallas ”grönt gap” 8 . Och ljus i det här sortimentet är lättast att avkännas av mänskliga ögon, vilket ger det fördelarna i många applikationer som ljuskälla med hög ljuseffektivitet, fullfärgsdisplay och märkbar indikatorkort.

För AlGaInP-material finns det en oöverstigbar barriär för att skjuta ut emissionens våglängd från röd spektralregim till grönt spektralt system på grund av energibandsgapet som överförs från direkt gap till indirekt gap när Al-sammansättningen ökar 9 . Å andra sidan har InGaN-baserat materialsystem väckt enorm uppmärksamhet under de senaste åren. Det optiska bandgapet i InGaN kan ställas in från nästan ultraviolett till nästan infrarött spektralområde utan indirekt gapomvandling, så det är möjligt att göra lysdioder vid "grönt gap" med hjälp av InGaN-material. Den interna kvanteffektiviteten (IQE) för InGaN LED är ganska hög vid blå regim men minskar snabbt när våglängden ökar efter ~ 450 nm 10, 11, 12, 13, vilket gör det svårt att realisera InGaN lysdioder med hög effektivitet vid "grönt gap" så länge ett sådant IQE-våglängdsberoende finns.

I den konventionella tillväxtprocessen kan både ändring av InGaN-brunnens tjocklek och indiuminnehåll justera våglängden 10, 14 . Eftersom LED-effektiviteten är mycket känslig för InGaN-brunnens tjocklek är den vanligtvis fixerad till ett optimalt värde på 2, 5 nm i kommersiella LED-produkter. Att reducera tillväxtstemperaturen för kvantbrunnskiktet InGaN är följaktligen det huvudsakliga sättet att öka våglängden genom att förbättra indiumkorporationsgraden. Lägre tillväxttemperatur leder till dålig kristallkvalitet och fler föroreningar införlivade i InGaN-brunnskiktet. När indiuminnehållet i InGaN-brunnskiktet ökar kommer polarisationsfältet att förbättras 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, vilket gör bandböjningen mer förvärrad. Dessa två faktorer sänker både IQE vid högre indiuminnehåll när längre våglängd krävdes. Motiverade av dessa överväganden behövs nya metoder för att driva den stora utsläppstoppen mot längre våglängd utan att minska IQE.

Metoder före deponeringsmetod före en viss skikttillväxt används vanligtvis i halvledarmaterialtillväxt 22, 23, 24 . I Ge / Si- eller InGaAs / GaAs-systemet som odlats av MBE har det visats att atomerna före deposition kan förbättra fördelningen av atominnehållet. I det här dokumentet demonstrerar vi ett nytt sätt att justera utsläppsvåglängden utan att försämra IQE genom indiumförlagring i metallorganisk kemisk ångavsättningsteknik.

Resultat

De normaliserade fotoluminescensspektrema (PL) mäts för alla prover vid rumstemperatur (300 K). Figur 1 visar att de viktigaste emissionstoppvåglängderna för prov A, B och C är 460, 0, 470, 0, 475, 0 nm, respektive. Enligt variationen i toppvåglängden observeras att toppvåglängden rödskiftar med ökningen av indiumfördeponeringstiden för LED A, B och C. Denna rödskift PL visade att våglängden kan justeras med indium före deposition metod.

Image

De största emissionstoppvåglängderna för LED (A), (B) och (C) är 460, 0, 470, 0, 475, 0 nm. Rödförskjutningsvärdet är cirka 15 nm.

Bild i full storlek

Högupplösta röntgendiffraktionsmätningar (HRXRD) mätningar utförs för att studera förhållandet mellan InGaN-kvantbrunnsstruktur och indium före deponeringsprocess. Figur 2 visar (0002) planreflektion erhållen genom ω / 2θ-skanningar längs tillväxtriktningen för de tre proverna. Satellittopparna observeras tydligt för alla prover, vilket indikerar att de fina periodiska multikvantumbrunnarna (MQWs) är välformade. Som visas i fig. 2 (grön linje), jämfört med LED A, har InGaN-diffraktionstopparna för LED B och C en liten förskjutning utåt diffraktionstoppen för GaN-bulkmaterial, vilket visar att indiuminnehållet varierar något i InGaN-skiktet på grund av indiumfördepositionen, vilket indikerar att det förutlagda indiumet är införlivat i InGaN / GaN MQW. Avståndet mellan satellitens topppositioner, som bestämmer MQW: s periodtjocklek, är emellertid exakt detsamma för dessa sampel. Strukturparametrarna erhållna genom simuleringsanpassning av de uppmätta kurvorna presenteras i tabell 1. Resultaten visar att GaN-barriär- och InGaN-brunnskikten är runt 14 nm respektive 2, 5 nm, vilket indikerar att tjockleken inte påverkas av pre -deposition. Det genomsnittliga indiuminnehållet i QW ökar tillsammans med ökningen av indiumavlagringstiden. FWHM-värdena för InGaN “+ 1st” diffraktionstopp för LED B och C är mycket mindre än LED A, vilket antyder att enhetligheten i indiumfördelningsfördelningen förbättras på grund av indium före deposition. Det noteras också att högseriens satellitoppar för LED B, C är mer tydliga än för LED A, vilket visar att strukturegenskaperna och gränssnittets grovhet mellan InGaN-brunnskiktet och GaN-barriären förbättras avsevärt.

Image

Bild i full storlek

Full storlek bord

Dessa förändringar i QW-struktur som infördes genom indiumfördeponeringsprocessen tillskrivs indiumsegregeringsbeteendet, vilket orsakar indiuminnehåll ojämn fördelning i InGaN-brunnar 25, 26, 27, 28 . Det anses att Ga- eller In-atomer växlar mellan underlagsskiktet och ytskiktet, och de tenderar att diffundera uppåt på grund av de lägre energitillstånd i ytan i InGaN-brunnskiktets tillväxtprocess. Men diffusionen försvagas gradvis av atomerna som ackumuleras i ytskiktet tills utbytet når dynamisk balans. Dessa teorier har demonstrerats i Ge / Si 29 och InGaAs 22 sammansatta halvledarsystem. I vårt experiment förhindrar indiumatomerna som ackumuleras i ytlagret genom indiumför deponeringsprocess att atomspridningen från underlag till ytlager i följande InGaN-skiktstillväxt, vilket förbättrar indiumfördelningens enhetlighet och orsakar den genomsnittliga indiuminnehållet ökar, vilket leder till röd förskjutning i PL-spektralen.

De temperaturvarierade PL-spektra för LED A, B och C visas i fig. 3 för att jämföra deras relativa IQE. Den relativa IQE definieras som den rumstemperaturintegrerade PL-intensiteten dividerad med den låga temperaturintegrerade PL-intensiteten. Temperaturberoende av normaliserad integrerad PL-intensitet från LED A – C visas i fig. 3, och deras IQE: er är 15, 7%, 22, 1% respektive 24, 7%. Insetplottet visar beroende av IQE av våglängden. Till skillnad från i konventionella InGaN-lysdioder blir IQE högre vid längre emissionvåglängd med ökning av indiumavlagringstid.

Image

Inset: IQE-ökningen med toppvåglängden rödförskjutning och deras IQE är 15, 7%, 22, 1% respektive 24, 7%.

Bild i full storlek

För att studera mekanismen för ovanligt IQE-våglängdsbeteende i InGaN-lysdioder med indiumfördeposition, analyseras den integrerade PL-intensiteten VS-temperaturkurvan med hjälp av Arrhenius-montering. Icke-bestämda rekombinationscentra (NRC) finns i InGaN QW: er och dessa NRC: s aktiveringsenergi är alltid mindre än den totala QW-bindande energin för elektroner och hål 28 . Därför domineras luminescens termisk kylning av InGaN-lysdioderna av den icke-bestämda rekombinationsprocessen. Om det finns flera typer av NRC: er kan den integrerade PL-intensiteten anpassas med följande uttryck 30, 31 :

Image

Där kB är Boltzmanns konstant, är E aktiveringsenergierna för motsvarande NRC: er och S i är faktorer relaterade till densiteten hos dessa centra. Två typer av NRC anses här för att få bra passform. De monterade parametrarna visas i tabell 2. LED A, B och C har nästan samma värden på El (~ 13 mev) respektive E2 (~ 67 mev). Detta antyder att samma typer av NRC visas i tre prover. S1 och S 2 för LED B och LED C är emellertid mycket mindre än LED A, vilket innebär att antalet effektiva NRC reduceras genom indiumfördeponering före InGaN-brunnskiktstillväxten. Vidare har det rapporterats att i komposition-icke-enhetliga fördelade InGaN-skikt på grund av segregering, är defektdensiteten nära InGaN-skiktets topp lägre än den nära InGaN-skiktets botten 14 . Det beror antagligen på att diffusionsindiumatomerna från undergrunden kan lämna platser för defektbildning. Detta förklarar varför S 1 och S 2 är mindre i LED B och LED C, där indiumatomernas diffusion undertrycks av indiumfördeponering.

Full storlek bord

Diskussion

Mot bakgrund av ovanstående är det ganska tydligt att utsläppsvåglängden effektivt kan justeras med indiumfördeponeringsmetoden. Det är anmärkningsvärt att nämna här att det onormala IQE-våglängdsberoendet som observerats i vårt experiment visar att den nya metoden har konkurrensfördelar jämfört med den konventionella metoden för att förverkliga InGaN-baserade lysdioder med hög effektivitet med lång våglängd. Men för att driva utsläppsvåglängden för lysdioder i området "grönt gap" finns det fortfarande många problem som måste lösas. Jämfört med de blå InGaN-lysdioderna har de gröna InGaN-lysdioderna högre indiuminnehåll i MQW, vilket kräver lägre tillväxttemperatur för InGaN-brunnar. Som ett resultat är nedbrytning av NH3 otillräcklig och indiumatomer är svårare att införlivas i InGaN-brunnskiktet under MQW-tillväxt av gröna lysdioder. Dessutom resulterar det högre indiuminnehållet i mycket starkare polarisationsfält och indiumfasseparation är lättare att uppstå. Därför krävs fler ansträngningar för att introducera fördeponeringsmetoden till InGaN-baserade gröna lysdioder. Till exempel kan töjningsjusteringsmetod kombineras med indiumfördeponering för att lösa töjningsfrågorna i gröna lysdioder.

Vi har demonstrerat det experimentella genomförandet av InGaN / GaN MQWs LED med indiumfördeposition för att justera utsläppets våglängd. Strukturen med indiumfördeponering visar högre genomsnittligt indiuminnehåll och mer enhetlig indiumfördelning än den för konventionell LED. Ett onormalt beroende av IQE-våglängd observeras från lysdioder med olika indium före depositionstid. IQE ökar medan våglängdsrödet växlar på grund av minskningen av defektdensiteten i QW: erna. Vidare indikerar resultaten från HRXRD att InGaN-brunnskiktet av hög kvalitet erhålls och gränssnittet mellan InGaN-brunnskiktet och GaN-barriären förbättras. Denna upptäckt kan ge ett tankesätt för att realisera lysdioder med hög effektivitet som avger ljus i området "grönt gap".

metoder

InGaN / GaN MQW LED-prover som användes i denna studie odlas på safirunderlag genom metallorganisk kemisk ångavsättning. Prekursorerna är trimetylgallium (TMGa), trietylgallium (TEGa), trimetylindium (TMIn) respektive ammoniak (NH3). Den aktiva regionen odlas på ett 3 mikrometer tjockt Si-dopat GaN-skikt, följt av ett 10 nm-GaN distansskikt och ett 180 nm tjockt Mg-dopat GaN-skikt. För en jämförande studie är LED A konventionell utan indiumfördeponering. Det aktiva området InGaN / GaN MQW består av fem 2, 5-nm tjocka InGaN-brunnskikt separerade med 14-nm tjocka GaN-barriärskikt. Prover LED B och LED C skiljer sig genom att använda indium före depositionstid. I LED B, C, före tillväxten av varje InGaN QW-lager, deponeras indiumatomer och avsättningstiden är respektive 1, 5 och 2 min. Därefter kännetecknades alla prover av HRXRD och temperaturberoende PL-spektroskopi. HRXRD utfördes med användning av en Bede Dl dubbelaxladiffraktometer med en parabolisk graderad multiplayer Gutman-spegelkollimator, följt av en fyra studskanalskuren Si (2 2 0) monokromator, som levererade en Cu Ka 1- linje med våglängd X = 0, 154056 nm. Temperaturberoende PL-spektra från 20 till 300 K registrerades med användning av en kontinuerlig våglaser med 325 nm He-Cd vid en emissionskraft. Det utsända ljuset dispergerades av en trippelgaller monokromator och detekterades med ett GaAs fotomultiplikatorrör med användning av konventionell inlåsningsteknik.

Förändra historien

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.