Влияние размера на электрические и оптические свойства красных светодиодов на основе InGaN

Мы исследовали влияние размера на электрические и оптические свойства красных светоизлучающих диодов (СИД) на основе InGaN путем разработки прямоугольных кристаллов с различной длиной мезы. Более крупные микросхемы показали более низкое прямое напряжение из-за более низкого последовательного сопротивления. Чип большего размера помог реализовать более длинную волну излучения, более узкую полную ширину на половине высоты и более высокую внешнюю квантовую эффективность. Однако измерения температурно-зависимой электролюминесценции показали, что более крупные чипы вредны для приложений, где требуется высокая термостойкость. Напротив, красный светодиодный чип меньшего размера обеспечивает высокую характеристическую температуру 399 К и небольшую тенденцию к красному смещению 0,066 нм · К -1 , что демонстрирует потенциал для применения в устойчивых к температуре осветительных приборах.

Синие / зеленые светоизлучающие диоды (СИД) на основе InGaN становятся все более распространенными в системах освещения и отображения, таких как внутреннее / внешнее освещение и подсветка дисплеев. 1–3Однако их характеристики быстро ухудшаются с увеличением длины волны излучения, особенно в красной области. 4,5Это снижение связано с содержанием In в квантовых ямах (КЯ) InGaN. Слои InGaN с высоким содержанием In имеют высокую плотность дефектов и сильный квантово-ограниченный эффект Штарка (QCSE). 6,7

Много усилий было посвящено совершенствованию InGaN на основе красных светодиодов с подходами , в том числе InGaN квантовых точек, 8полуполярный буферный слой InGaN, 9решеточно-согласованные шаблоны InGaN / ScAlMgO 4 (0001), 10и нанопроволоки InGaN / GaN. 11,12Наша высокотемпературная технология выращивания InGaN реализует темно-красную электролюминесценцию (EL) с эмиссией 740 нм. 13,14Мы также предложили несколько подходов к компенсации деформации для уменьшения дефектов, таких как барьеры AlN / AlGaN, 15гибридные структуры с квантовыми ямами, 16и разной толщины шаблонов GaN. 17Недавно было продемонстрировано очень низкое прямое напряжение 2,45 В при 20 мА в красном светодиоде на основе InGaN с длиной волны 665 нм на подложке β- Ga 2 O 3 . 18

Дизайн и оптимизация устройства также имеют решающее значение для повышения производительности красных светодиодов на основе InGaN. Предыдущие работы показали, что размер кристалла оказывает значительное влияние на падение эффективности синих светодиодов на основе InGaN. 19–22Различные размеры стружки приводят к разному температурному допуску. 19Светодиоды от микромасштаба до больших размеров показали текущий эффект скопления и рекомбинации носителей на краевых поверхностях устройства. 20 Однако красные светодиоды на основе InGaN не были изучены и оптимизированы так сильно, как синие светодиоды, имеющие долгую историю.

В этой работе исследуется влияние размера на производительность устройства с использованием различных прямоугольных чипов на одной и той же красной светодиодной пластине на основе InGaN. Вольт-амперные ( I - V ) кривые были использованы для характеристики прямых напряжений и обратных токов утечки. Мы систематически исследовали характеристики электролюминесценции при различных токах, включая максимальную длину волны, полную ширину на полувысоте (FWHM), внешнюю квантовую эффективность (EQE) и интегральную интенсивность. Результаты показывают, что размер кристалла можно регулировать для управления производительностью красных светодиодов на основе InGaN.

Эпитаксиальные пластины красных светодиодов на основе InGaN были выращены на сапфировых подложках с узором в плоскости c методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (MOVPE) в горизонтальном реакторе с одной пластиной при 100 кПа. Об эпитаксиальных структурах красных светодиодов на основе InGaN сообщалось в предыдущих работах. 15–17Мы изготовили красные светодиоды по нашим стандартным технологиям. Пленки оксида индия и олова (ITO) осаждались в виде прозрачного проводящего слоя и подвергались двухступенчатому отжигу для образования омических контактов с p-GaN. 23Светодиодные столешницы были получены с помощью стандартной фотолитографии и травления индуктивно связанной плазмой для обнажения слоя n-типа. Наконец, электроды на основе Cr / Ni / Au (50 нм / 20 нм / 200 нм) были нанесены на слои как ITO, так и n-типа в качестве контактных площадок.

Электрическая накачка всех красных светодиодных чипов производилась на зондовой станции с помощью анализатора параметров полупроводников. Характеристики электролюминесценции измерялись в диапазоне температур от 295 К (комнатная температура, RT) до 373 К. Температуры измерялись со столика выдержки проб станции зонда.

Рисунок 1 (а)показан рисунок прямоугольных светодиодных чипов. Чипы имели постоянную ширину мезы 250  мкм , а длины мезы составляли 350  мкм , 450  мкм , 550  мкм и 650  мкм . Таким образом, вычисленные активные площади составили 0,0755 мм 2 , 0,0985 мм 2 , 0,1215 мм 2 и 0,1445 мм 2 соответственно. Активная область - это меза-область каждого светодиодного чипа. Рисунки 1 (б) –1 (д)показать EL изображения красных светодиодных чипов разных размеров при 20 мА. Все светодиоды показали однородное излучение электролюминесценции, хорошее распределение тока и отсутствие значительного скопления тока. Однако в эмиссионной области наблюдалось много темных пятен, которые могли быть связаны с пронизывающими дислокациями и дефектами канавок. 15

фигура

ИНЖИР. 1. (а) Конструкция светодиодного чипа. Электролюминесцентные изображения красных светодиодов с длиной мезы: (б) 350  мкм , (в) 450  мкм , (г) 550  мкм и (д) 650  мкм при 20 мА.

PPT|Высокое разрешение

Мы исследовали электрические свойства светодиодов с разной длиной мезы. Рисунок 2 (а)показывает типичную ВАХ красного светодиода с длиной мезы 650  мкм при комнатной температуре. Кривая прямого смещения показывала резкое начало напряжения, которое затем экспоненциально увеличивалось с увеличением тока инжекции, демонстрируя стандартное поведение диода с p – n переходом. Рисунок 2 (б)показывает прямое напряжение при 20 мА как функцию обратной величины активной области. Было обнаружено, что прямые напряжения, полученные с различной длиной мезы, линейно масштабируются с обратной величиной активной области. Светодиодные чипы с большими активными областями демонстрируют более низкие прямые напряжения из-за их более низкого последовательного сопротивления, происходящего из-за большей геометрии. 24Следовательно, более крупный чип может повысить эффективность розетки (WPE) красных светодиодов. 25

фигура

ИНЖИР. 2. (а) I-V характеристики светодиодного устройства с длиной меза 650  мкм м. (b) Прямое напряжение 10 светодиодных устройств разных размеров как функция 1 / активная площадь при 20 мА. (c) Обратный ток 10 светодиодных устройств с разными размерами в зависимости от активной области при −5 В. Звездочки представляют средние значения для 10 устройств, а пунктирные линии - линейное соответствие средних значений.

PPT|Высокое разрешение

Рисунок 2 (а)также показаны типичные обратные токи красного светодиода при обратном смещении. Обратный ток увеличивался с обратным напряжением, что предположительно было вызвано дефектами кристалла, такими как V-образные ямки и дефекты канавок. Обратные токи при −5 В показаны в зависимости от активной области на рис. 2 (c).. Средние значения показали тенденцию линейного увеличения обратных токов с увеличением активной площади. Эта тенденция разумна, потому что на большей площади будет больше дефектов, что приведет к каналам утечки тока. Следовательно, для подавления тока утечки необходимо более высокое качество кристаллов красных светодиодных структур.

Спектры ЭЛ измеряли при 5–100 мА при комнатной температуре. Средние длины волн пиков и значения FWHM показаны на рис. 3 (а)и (б), соответственно. Значительные сдвиги в синий цвет примерно на 50 нм наблюдались между длинами волн пиков при 5 мА и 100 мА. Величина синего смещения для красных светодиодов была намного выше, чем у синих или зеленых, 26,27 демонстрируя, что красные светодиоды страдают от значительного QCSE.

фигура

ИНЖИР. 3. Текущие зависимости длин волн пиков (а) и полуширины (б). Каждая точка представляет собой среднее значение более 10 светодиодов для каждой длины мезы.

PPT|Высокое разрешение

Пиковые длины волн светодиодов меньшего размера имели сдвиг в синюю сторону по сравнению с максимальными длинами волн более крупных светодиодов при тех же токах. Это означает, что более высокая плотность тока ускоряет экранирование QCSE свободными носителями. Размер светодиода также имеет решающее значение для максимальной длины волны в красных светодиодах на основе InGaN с высоким содержанием In, поэтому мы должны учитывать содержание In в квантовых ямах и размер кристалла вместе. Как правило, основная энергия перехода квантовой ямы может быть уменьшена за счет увеличения содержания In или уменьшения экранирования внутреннего электрического поля в квантовой яме. 7При разработке красных квантовых ям с фиксированной толщиной для конкретной длины волны красного излучения при определенном рабочем токе для более крупных кристаллов требуется более низкое содержание In в активных областях, чем для более мелких кристаллов, поскольку более крупные кристаллы демонстрируют меньшее экранирование внутреннего электрического поля (QCSE). из-за более низкой плотности тока. Поскольку меньшее содержание In имеет преимущество сохранения кристаллических качеств светодиодных структур, более крупный чип является предпочтительным для лучшей производительности устройства.

Интересно, что пиковые длины волн были идентичны для чипов разных размеров при одинаковой плотности тока, а это означает, что количество QCSE зависит только от плотности тока. Таким образом, изготовление нашего устройства не повлияло на остаточную деформацию и локализованные состояния в квантовых ямах InGaN. Эта ситуация отличается от ситуации в светодиодах на основе наноструктур с частично релаксированными квантовыми ямами InGaN. 26 год

Полуширина быстро упала до минимальных значений (примерно 60 нм) в диапазоне малых токов на рис. 3 (b).. Все размеры чипов показали такое же поведение, которое было аналогично тому, что было в предыдущих отчетах. 5,15,16Полуширина микросхем меньшего размера была уже, чем у микросхем большего размера, при низком токе ниже 20 мА, что объясняется быстрым насыщением излучения из глубоких локализованных состояний в активной области InGaN для меньших чипов. Минимальные значения зависели от размера светодиодного чипа, а более крупный чип имел меньшее значение.

После минимальных значений каждая FWHM увеличивалась с током. Зависимости минимального значения FWHM и приращения FWHM от размера возникли из-за эффекта тепловыделения 28на активной области InGaN. Плотность тока меньших чипов выше, чем у больших чипов, поэтому температура меньших чипов будет выше, что приведет к непрерывному приращению FWHM после минимального значения. Напротив, выделение тепла в более крупном светодиоде может быть подавлено. Таким образом, полуширина чипов размером 650 мкм имела наименьший минимум около 60 нм и увеличивалась медленнее, чем у меньших чипов.

Мы использовали чип 650 мкм в импульсном режиме с рабочим циклом 20%. Результаты показали постоянную FWHM примерно 59 нм при токах 40–100 мА. Робин и др. сообщил, что FWHM жизненно важен для достижения чистого красного излучения. 29 Поэтому рекомендуется изготовление чипов большего размера, поскольку ожидается, что они будут иметь более узкую полуширину.

Мы также исследовали влияние размера на интегральную интенсивность электролюминесценции красных светодиодов. Рисунки 4 (а) –4 (в)показывают интегральные интенсивности электролюминесценции и их максимальные длины волн при токах 20 мА, 30 мА и 60 мА. При 20 мА [ Рис. 4 (a)] светодиоды с более короткими длинами мезы показали более высокую интенсивность электролюминесценции и более короткие длины волн пиков. Однако светодиоды с большей длиной мезы показали более высокую интенсивность электролюминесценции при 30 мА и 60 мА. Эти результаты объясняются плотностью тока и падением эффективности, как показано на рис. 4 (d)..

фигура

ИНЖИР. 4. Интегрированные интенсивности электролюминесценции и пиковые длины волн, полученные при токах (а) 20 мА, (б) 30 мА и (в) 60 мА для трех светодиодов с четырьмя различными длинами мезы. (d) Зависимости средних значений EQE от плотности тока, полученные от трех светодиодов с различной длиной мезы. На вставке показана область вокруг максимумов EQE. Температурные зависимости (e) нормированных интегральных интенсивностей EL и (f) пиковых длин волн светодиодов с различной длиной мезы при 100 мА.

PPT|Высокое разрешение

Все максимальные значения EQE были около 26 А / см 2 . Плотность тока составляла всего 26 А / см 2 для самых маленьких микросхем с длиной мезы 350  мкм при 20 мА, в то время как у других микросхем она была ниже 26 А / см 2 . Следовательно, более мелкие чипы показали более высокую интенсивность электролюминесценции из-за более высоких EQE. При 30 мА плотность тока микросхем с длиной мезы 550  мкм составляла около 26 А / см 2 в максимумах EQE. Таким образом, эквалайзеры всех чипов были расположены около максимума, что привело к тому, что профиль интенсивности электролюминесценции был аналогичен профилю эквалайзера.

При 60 мА плотности тока всех микросхем превышали 26 А / см 2 . Следовательно, более крупные чипы с более низкой плотностью тока показали более высокую интенсивность электролюминесценции. На вставке также показано, что максимальные значения EQE были выше для более крупных микросхем, что указывает на то, что большая микросхема имеет преимущество реализации более высокого значения EQE.

Как правило, потери носителей из-за поверхностной рекомбинации возрастают с уменьшением размера кристалла вплоть до микросветодиода , 20,22что приводит к значительному снижению EQE даже при той же плотности тока. Однако значения EQE на рис. 4 (d)оказались независимыми от размеров кристалла при той же плотности тока, за исключением максимальных значений EQE. Это указывает на то, что рекомбинация электронов и дырок на поверхности может быть практически незначительной при таких относительно больших размерах чипа.

Рисунок 4 (е)показана температурная зависимость нормированной интегральной интенсивности ЭЛ от 295 K (RT) до 373 K. Светодиодные чипы работали при постоянном токе 100 мА. Интегральная интенсивность электролюминесценции снижалась вместе с температурой для всех светодиодов, что обычно называется тепловым падением. Светодиод с меньшей длиной мезы демонстрировал меньшую температурную зависимость интенсивности электролюминесценции, хотя светодиод имел самые низкие EQE при 100 мА. Температурный спад интенсивности ЭЛ описывается 5

язнак равнояТ= 295 К ехр ( - Т- 295 K Т0) ,

(1)

где I - нормализованная интегральная интенсивность электролюминесценции , I T = 295K - интегральная интенсивность электролюминесценции при 295 K, T [K] - температура ступени, а T 0 [K] - характеристическая температура.

Характеристическая температура - стандартный количественный параметр для оценки температурной зависимости. Чем больше характеристическая температура, тем слабее температурная зависимость. Из подгонки экспериментальных результатов были измерены значения T 0, которые составили 399 K, 367 K, 348 K и 319 K для чипов с длиной мезы 350  мкм , 450  мкм , 550  мкм и 650  мкм. мкм соответственно. Поведение уменьшения T 0 с увеличением длины мезы обусловлено рекомбинацией Шокли – Рида – Холла (SRH). 19 Рекомбинация SRH становится эффективной при более высокой температуре, но может подавляться при более высокой плотности тока.

Следовательно, интегральные интенсивности ЭЛ падали с ростом температуры, но меньше при более высоких плотностях тока. Следовательно, самые маленькие чипы, которые работали с максимальной плотностью тока, показали самую высокую характеристическую температуру по сравнению с другими более крупными чипами. Для самого маленького кристалла характерная температура составила 399 К при 100 мА, что сопоставимо с указанными для зеленых светодиодов на основе InGaN 30.и красные светодиоды на основе AlGaInP. 31,32

Рисунок 4 (е)показывает температурную зависимость длины волны пика при постоянном токе 100 мА. Красные смещения наблюдались на максимальных длинах волн для всех чипов при изменении температуры. Коэффициенты красного смещения от линейных фитингов были 0,066 нм К -1 , 0,071 нм К -1 , 0,078 нм К -1 и 0,091 нм К -1 для чипов с меза длиной 350  мкм м, 450  мкм м, 550  мкм м , и 650  мкм соответственно. Эти данные показывают, что более мелкие чипы имели меньшие коэффициенты красного смещения. Эту тенденцию можно объяснить распределением носителей по энергии. 33

Ширина запрещенной зоны InGaN сокращалась по мере увеличения температуры, что вызывало красное смещение пиковых длин волн для всех чипов. Между тем, носители в квантовых ямах могут переходить на более высокие уровни энергии с повышением температуры, что, наоборот, приводит к синему смещению пиковой длины волны для всех чипов. 33Поскольку более мелкие микросхемы имели более высокую плотность тока (плотность несущих), носители в более мелких микросхемах имели бы более высокую вероятность перехода на более высокие уровни энергии. В результате больший процент носителей в более мелких микросхемах переместится на более высокие уровни энергии, в результате чего распределение энергии носителей будет выше, чем в более крупных микросхемах. Более высокое энергетическое распределение носителей в меньших чипах привело бы к тому, что пиковая длина волны показала бы большее синее смещение, а большее синее смещение могло бы больше компенсировать красное смещение из-за сокращения ширины запрещенной зоны. Таким образом, мы наконец наблюдали наименьший коэффициент красного смещения от самого маленького чипа. В случае AlInGaP на основе красных светодиодов, коэффициенты красного смещения для размеров чипа 300 × 300  ц м 2 и 500 × 500  мкм м2 были измерены как 0,142 нм · К -1 и 0,148 нм · К -1 при импульсном токе 100 мА, соответственно. 31,32 Эти коэффициенты красного смещения были почти вдвое больше, чем у нашего самого маленького чипа, демонстрируя, что красные светодиоды на основе InGaN являются подходящими кандидатами для термостойких осветительных приборов.

Таким образом, мы исследовали влияние размера на характеристики красных светодиодов на основе InGaN, разработав прямоугольные микросхемы с разной длиной мезы на одной и той же светодиодной пластине. Более крупные микросхемы показали более низкое прямое напряжение при 20 мА из-за их более низкого последовательного сопротивления, возникающего в области устройства. Кроме того, более крупный чип привел к большей длине волны излучения, более узкой полуширине на полувысоте и более высокому EQE при высоких токах. Эти характеристики выгодны для красных светодиодов на основе InGaN. С другой стороны, более мелкие чипы обладали высокой характеристической температурой 399 К и небольшим коэффициентом красного смещения 0,066 нм · К -1 . Эти данные указывают на возможность применения в системах освещения, устойчивых к температуре, за счет уменьшения размера красных микросхем на основе InGaN.