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Verdünnende p-Typ-III-Nitrid-Schichten, um die Wirkung von Oberflächenplasmonen zu verstärken

Die nationale Taiwan-Universität hat bei der Epitaxie eine Magnesium-Vorströmung verwendet, um die Lochkonzentrationen in Aluminium-Galliumnitrid (AlGaN) elektronenblockierenden Schichten in Indium-Galliumnitrid (InGaN) Leuchtdioden (LEDs) zu verbessern [Chia-Ying Su et al , Optik Express, vol25, p21526. 2017] Dies ermöglichte die dünneren Ga-Schichten vom p-Typ und erhöhte somit die Wirkung von Oberflächenplasmon (SP) -Strukturen auf die LED-Leistung. Insbesondere wird eine rekordhohe Modulationsbandbreite von 625,6 MHz für c-plane InGaN-LEDs beansprucht. Für die Kommunikation mit sichtbarem Licht ist eine hohe Modulationsbandbreite erwünscht.

Oberflächenplasmone sind delokalisierte Elektronendichte-Oszillationen. SP-Kopplung an InGaN-Quantenmulden (QWs) kann die interne Quanteneffizienz steigern, während sie die Drückeffekte verringert und die Bandbreite erhöht. Die Kopplung wird natürlich verbessert, da die SPs und QW näher kommen. Dies wird erreicht, indem die Dicke der dazwischen liegenden p-leitenden Schichten von den typischen 150 nm bis zum Bereich von 38-78 nm reduziert wird. Normalerweise muss die p-GaN-Schicht eine gewisse Dicke aufweisen, um eine ausreichende Stromausbreitung zu gewährleisten. Dünnere p-GaN-Schichten neigen dazu, die Einschaltspannung und den Differenzwiderstand zu erhöhen.

Die Mg-Vorströmung reduziert auch die Barriere der Injektion in die aktive QW-Region. Die Forscher kommentieren: "In dieser Situation, obwohl eine Abnahme der p-GaN-Schicht noch die Auswirkungen der zunehmenden Einschaltspannung und des differentiellen Widerstands haben kann, kann die signifikante Verbesserung der Bohrlochinjektionseffizienz die Leistungsverschlechterung aufgrund der Abnahme von kompensieren p-GaN-Dicke. "

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Abbildung 1: Epitaxiale Strukturen der LED.

Epitaxialmaterial für die LEDs stammte aus der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) auf C-Ebene Saphir (Abbildung 1). Dem Wachstum des 18nm p-AlGaN-EBL ging ein Bis (Cyclopentadienyl) -magnesium (Cp 2 Mg) Vorlaufschritt bei 220 Standardkubikzentimeter pro Minute (sccm) voraus.

Die Vorströmung erfolgte mit den Ga- und Al-Vorstufen, aber mit dem Ammoniak (NH 3 ) -Stickstoffvorläufer auf. Während des Vorflusses zersetzte sich das NH 3 und erzeugte Wasserstoff, der die obere GaN-Barriere um etwa 5 nm zurückzog, wodurch die Enddicke auf 20 nm reduziert wurde.

Tabelle 1: Strukturen und Leistung von LED-Proben.

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Für das p-GaN-Wachstum wurde der Fluss von Cp 2 MG auf 280sccm erhöht. Die 10nm p + -GaN-Kappe verwendete einen 800sccm Cp 2 Mg Durchfluss. Die Substrattemperatur während der Vor- und P-Typ-Schichten betrug 970 ° C.

Referenz (R) LEDs wurden mit 10 μm Radius kreisförmigen Mesas hergestellt. Die p-Kontakt-Auflage wurde nicht auf die kleine Mesa gelegt, sondern auf einer Siliziumdioxidschicht mit minimierter parasitärer Kapazität getragen. Der p-Kontakt - 20nm / 100nm Nickel / Gold - bedeckte etwa 80% der Mesa, wobei die restlichen 20% mit 5nm / 5nm Nickel / Gold für die aktuelle Ausbreitung bedeckt waren.

LEDs mit Oberflächenplasmonstrukturen verwendeten 250 ° C Molekularstrahlepitaxie (MBE) zur Abscheidung von 10 nm Gallium-dotiertem Zinkoxid (GZO) als Stromverteilungsschicht. Die SP-Struktur bestand aus Silber (Ag) Nanopartikeln (NPs) und einer weiteren Stromausbreitungsschicht aus 5nm / 5nm Titan / Gold. Der p-Kontakt bestand aus 20nm / 100nm Nickel / Gold.

Das GZO-Blau verschiebt die Silber-Nanopartikel-SP-Resonanzwellenlänge zu der der blauen Emissionen der LEDs bei ~ 465nm (Abbildung 2). Die Silbernanopartikel wurden durch Abscheiden einer 2nm Silberschicht und anschließendes Glühen bei 250ºC für 30 Minuten in Stickstoffatmosphäre gebildet.

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Abbildung 2: Transmissionsspektren der Proben A-SP, B-SP und C-SP. Vertikale gestrichelte Linie zeigt die QW-Emissionswellenlänge um 465 nm an.

Die Forscher kommentieren: "Es wird darauf hingewiesen, dass der SP-Resonanzpeak in der aktuellen Arbeit nicht gut mit der QW-Emissionswellenlänge übereinstimmt, wie in [Abbildung 2] gezeigt. Eine sorgfältige Einstellung der Ag-NP-Größe kann den SP-Resonanzpeak zur weiteren Erhöhung der SP-Kopplungsstärke bei der bezeichneten QW-Emissionswellenlänge (465 nm) blau verschieben. In dieser Situation kann die Modulationsbandbreite weiter erhöht werden. "

Die n-Kontakte der LEDs bestanden aus 20nm / 100nm Titan / Gold.

Das 970 ° C-Wachstum der p-Typ-Schichten erhöhte auch die darunter liegende InGaN-Einzelquantentiefel, wobei die indiumreichen Clusterstrukturen reorganisiert wurden, die durch die Trägerlokalisierung zu einer höheren als erwarteten internen Quanteneffizienz (IQE) führen können. Jedoch kann zu viel Glühen die Kristallstruktur in der Quantenmulde abbauen, wodurch IQE reduziert wird.

Die IQE der verschiedenen Vorrichtungen wurde durch Vergleich der Raumtemperatur-Photolumineszenz (PL) mit der bei 10K (angenommen 100% IQE) geschätzt. Es wurde festgestellt, dass kürzere Glühzeiten zu höheren IQEs führen (Tabelle 1). Die Anwesenheit von Ag-NPs ergab eine signifikante SP-Verbesserung, insbesondere mit reduziertem Abstand zum QW. Der Zerfall der zeitaufgelösten PL war auch schneller mit SP-Strukturen.

Die verbesserte IQE der SP-LEDs führte zu einer helleren Elektrolumineszenz. Auch der Schwankungswiderstand (WPE) aus dem Spitzenwert war in den SP-Geräten weniger stark. Die Forscher kommentieren: "Es wird darauf hingewiesen, dass die injizierte Stromdichte für die maximalen Wirkungsgrade in den untersuchten Proben (1kA / cm 2 ) im Allgemeinen höher ist als die, die in der Literatur üblich ist. Dies ist so, weil die Mesa-Größe der verwendeten Proben bei 10μm im Radius kleiner ist. Die kleinere Gerätegröße führt zu einem schwächeren Erwärmungseffekt und reduziert damit das durch das Heizen verursachte Absenkverhalten. "

Die kürzere PL-Abklingzeit spiegelt sich in höheren Modulationsbandbreiten mit dem höchsten Wert höher als 600 MHz: "Im Beispiel C-SP erreichen wir die Modulationsbandbreite von 625,6 MHz, die vermutlich die höchste, die in einem c- Ebene-GaN-basierte Oberflächen-emittierende LED (~ 100MHz höher als unsere bisherige Aufzeichnung von 528.8MHz). "Die Verbesserung gegenüber den Referenzproben liegt nahe bei der Quadratwurzel der erhöhten Abklingrate in den PL-Studien.


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