Nanoscale imaging of reduced forward bias at V-defects in green-emitting nitride LEDs

Résumé technique : Imagerie à l'échelle nanométrique de la réduction de la tension directe aux défauts en V dans les LED nitrures émettant dans le vert

Énoncé du problème
Bien que les diodes électroluminescentes (LED) à nitrure III aient atteint des rendements de conversion de l'énergie (WPE) records dépassant 90 % dans le spectre bleu, les dispositifs émettant dans les grandes longueurs d'onde (vert et jaune) souffrent d'une chute d'efficacité significative connue sous le nom de « gap vert ». Des percées récentes ont montré que l'incorporation de densités élevées de défauts en V (structures pyramidales émergeant des dislocations de fil) dans les LED émettant dans le vert peut restaurer le WPE à des niveaux records. Cette amélioration est largement attribuée à une augmentation de l'efficacité électrique (EE), définie comme le rapport entre l'énergie des photons et l'énergie électrique d'entrée ($h\nu/qV_F$). Les modèles théoriques proposent que cette amélioration de l'EE résulte d'une réduction de la tension directe ($V_F$) requise pour l'injection de charges. On suppose que cette réduction se produit car les défauts en V exposent des facettes semi-polaires $\{10\bar{1}1\}$ avec des puits quantiques amincis et une teneur en indium plus faible, abaissant ainsi les barrières de potentiel internes. Cependant, avant ce travail, il n'existait aucune preuve expérimentale directe confirmant ce mécanisme d'injection de charges à l'échelle nanométrique, car les techniques existantes manquaient de résolution spatiale pour isoler les propriétés des défauts en V du matériau environnant.

Méthodologie
Pour combler cette lacune, les auteurs ont utilisé un microscope de luminescence par effet tunnel (STLM) afin de réaliser des mesures optoélectroniques locales sur une hétérostructure de puits quantiques multiples (MQW) InGaN/GaN émettant dans le vert et issue d'un produit commercial.

1. Préparation de l'échantillon : Une couche de recouvrement de p-GaN de 60 nm a été retirée par gravure par couche atomique (ALE) pour exposer les rebords des défauts en V tout en laissant les facettes $\{10\bar{1}1\}$ couvertes par le p-GaN résiduel. Cela a exposé les rebords des défauts en V à la surface.
2. Injection locale : La pointe du STLM a été utilisée comme injecteur de trous local (polarisation positive, $V_{TIP} > 0$) pour créer un contact Schottky local sur l'hétérostructure exposée. Le dispositif a été configuré comme un système à deux bornes où la pointe agissait comme le contact p, et la zone neutre n-type macroscopique servait de contact n.
3. Protocole de mesure :
   • Cartographie du courant : L'équipe a cartographié le courant d'injection ($I_{TIP}$) et le courant différentiel ($\Delta I = I_n - I_p$) pour confirmer que les trous injectés traversent l'hétérostructure MQW vers le contact n plutôt que de fuir par la surface.
   • Caractérisation I-V locale : La pointe a été immobilisée à des points de grille prédéfinis pour mesurer les caractéristiques courant-tension locales. La tension directe locale ($V_F$) a été définie comme la tension de la pointe requise pour atteindre un courant d'injection spécifique (par exemple, 10 $\mu$A).
   • Spectroscopie : Des spectres d'électroluminescence (EL) locaux ont été collectés à des positions spécifiques de la pointe pour analyser les décalages d'énergie des photons.

Résultats clés

1. Réduction de la tension directe aux rebords des défauts en V : L'analyse statistique des cartes de $V_F$ locales a révélé une réduction systématique de la tension directe requise pour l'injection de courant aux rebords des défauts en V par rapport aux surfaces planes (0001). La différence mesurée ($\Delta V_F$) était d'environ -1 V, indépendamment du point de consigne de courant choisi.
2. Confirmation du chemin du courant : Les mesures de courant différentiel ont confirmé que plus de 99,9 % du courant injecté par la pointe circule à travers l'hétérostructure MQW vers le contact n, validant que l'électroluminescence observée provient de la région active.
3. Décalages bleus de l'électroluminescence : Les spectres d'EL locaux collectés aux rebords des défauts en V ont présenté des décalages bleus systématiques mais faibles, d'environ 10 meV, par rapport à l'émission du plan (0001).
4. Corrélation avec le comportement macroscopique : La réduction de 1 V de la tension directe locale observée concorde étroitement avec la réduction de la tension directe macroscopique observée dans les LED vertes à haute efficacité contenant des défauts en V.

Signification et affirmations
L'article affirme fournir la première preuve expérimentale directe soutenant l'hypothèse de l'injection de charges pour l'amélioration de l'efficacité des LED par les défauts en V. Les principales conclusions sont les suivantes :

• Vérification du mécanisme : La réduction d'environ 1 V de la tension directe locale aux rebords des défauts en V confirme que ces défauts agissent comme des voies préférentielles pour l'injection de charges en abaissant les barrières de potentiel internes, augmentant ainsi l'efficacité électrique (EE).
• Dynamique de transport : La faible magnitude du décalage bleu observé (10 meV) indique que la majorité des trous injectés aux rebords des défauts en V sont transportés latéralement vers les puits quantiques du plan (0001) avant que la recombinaison radiative ne se produise. Cela soutient les modèles suggérant que la recombinaison se produit principalement dans les puits quantiques standards, mais que l'injection est facilitée par les facettes des défauts en V.
• Avancée méthodologique : Cette étude démontre la capacité unique du STLM à effectuer simultanément des spectroscopies électriques et optiques locales à l'échelle nanométrique (résolution < 10 nm), comblant le fossé entre les performances macroscopiques des dispositifs et les mécanismes physiques microscopiques.

Les auteurs concluent que ces découvertes confirment sans ambiguïté que les défauts en V améliorent le rendement de conversion de l'énergie des LED nitrures à longue longueur d'onde en réduisant la tension directe nécessaire pour l'injection de charges, un mécanisme piloté par la géométrie et la composition spécifiques des facettes des défauts en V.