Carrier dynamics in blue and green InGaN LED structures

Abstract

Avhandlingen fokuserar på effekter som är avgörande för att uppnå hög intern kvanteffektivitet (IQE) i GaN-baserade lysdioder (LED) som emitterar inom ett brett spektralområde, från violett till gröngult. Dessa effekter inkluderar laddningsbärartransport mellan brunnar i flera kvantbrunnar (QW)-strukturer, lateral transport i QW-planet och strålnings- och icke-strålningsrekombination. 

Undersökningen gjordes genom tidsintegrerad och tidsupplöst fotoluminescensspektroskopi (PL) i när- och fjärrfält. Mätningar utfördes på polära enkla och multipla In_xGa_1-xN QW-strukturer bestående av olika legeringssammansättningar. De kompletterades med självkonsistent lösning av endimensionella Schrödinger- och Poisson-ekvationer och utvärdering av bärardensitetsdynamiken. 

Laddningsbärartransporten mellan brunnar studerades för att bestämma förhållanden som krävs för en enhetlig bärarfördelning mellan brunnar i en aktiv LED-region. Sådan distribution skulle minska den skadliga effekten av den icke-strålande Auger-rekombinationen och öka IQE. Eftersom håltransporten är flaskhalsen under denna process, studerades ambipolär transport mellan brunnar, utifrån de långsammare hålen. Standard tidsupplösta PL-mätningar utfördes på flera QW-strukturer med olika antal In_0,12Ga_0,88N QW:er och olika barriärparametrar (tjocklek, material). Fotoexciterad bärartransport över den multipla QW-strukturen övervakades genom att mäta PL-stigningstider från en djupare detektor-QW. Sådana mätningar gjorde det möjligt att särskilja transportmekanismen mellan brunnar vid höga temperaturer (termionisk emission, ns-intervall) och låga temperaturer (ballistiskt, sub-ps-intervall). Det konstaterades att håltransporten mellan brunnar i standard InGaN/GaN-strukturer var ineffektiv. Studier av transport och IQE i strukturer med InGaN-barriärer av olika sammansättning, och tunna GaN- eller AlGaN-mellanskikt mellan QW:erna och barriärer möjliggjorde design av strukturer med snabb och effektiv transport mellan brunnar och hög IQE. Dessa mätningar utfördes för blå LED-strukturer; dock skulle slutsatserna kunna utvidgas till QW:er som emitterar vid längre våglängder och för vilka problemet med olikformig bärarfördelningen mellan brunnar är ännu större.

Studier av laddningsbärarrekombinationen och IQE utfördes på enstaka kvantbrunnar med fokus på emitterande strukturer med lång våglängd (grön, grön-gul), där IQE är mycket mindre än för de violett och blåemitterande brunnarna. Strålande och icke-strålande bärarekombinationstider bestämdes vid olika temperaturer, vilket avslöjade en rekordhög IQE på ∼60 % i de gröngula QW:erna. 

Eftersom den icke-strålande rekombinationen ofta tillskrivs utökade defekter, användes närfältsspektroskopi för att studera effekten av V-defekter relaterade till dislokationer i polära GaN-baserade strukturer. Parametrar för PL-spektra, samt strålande och icke-strålande rekombinationstider visade stora rumsliga variationer. Den ökade ickestrålande rekombinationen relaterad till dislokationerna avslöjades endast i deras omedelbara närhet, vilket tyder på att deras inverkan på IQE och enhetens prestanda, i motsats till vad man tror, borde vara liten.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-320563