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

Sintesi Tecnica: Imaging su scala nanometrica della riduzione della tensione diretta ai difetti a V nei LED al nitruro a emissione verde

Problematica
Sebbene i LED a nitruro III (III-nitride) abbiano raggiunto l'efficienza di parete (WPE) record superiore al 90% nello spettro del blu, i dispositivi a lunghe lunghezze d'onda (verde e giallo) soffrono di un significativo calo dell'efficienza noto come "green gap". Recenti progressi hanno dimostrato che l'incorporazione di alte densità di difetti a V (strutture piramidali che emergono dalle dislocazioni di linea) nei LED a emissione verde può ripristinare la WPE a livelli record. Questo miglioramento è attribuito principalmente a un aumento dell'efficienza elettrica (EE), definita come il rapporto tra l'energia del fotone e l'energia elettrica in ingresso ($h\nu/qV_F$). I modelli teorici propongono che questo incremento della EE derivi da una riduzione della tensione diretta ($V_F$) necessaria per l'iniezione di cariche. Si ipotizza che tale riduzione avvenga perché i difetti a V espongono faccette semi-polari $\{10\bar{1}1\}$ con pozzi quantici assottigliati e un contenuto di Indio inferiore, abbassando così le barriere di potenziale interne. Tuttavia, prima di questo lavoro, non esisteva alcuna prova sperimentale diretta che confermasse questo meccanismo di iniezione di carica su scala nanometrica, poiché le tecniche esistenti mancavano della risoluzione spaziale necessaria per isolare le proprietà dei difetti a V dal materiale circostante.

Metodologia
Per colmare questa lacuna, gli autori hanno utilizzato un microscopio a scansione di luminescenza a effetto tunnel (STLM) per eseguire misurazioni optoelettroniche locali su un'eterostruttura a pozzi quantici multipli (MQW) InGaN/GaN commerciale.

1. Preparazione del campione: Uno strato di copertura di p-GaN da 60 nm è stato rimosso tramite etching a strato atomico (ALE) per esporre i bordi dei difetti a V, lasciando i bordi delle faccette $\{10\bar{1}1\}$ coperti da p-GaN residuo. Ciò ha esposto i bordi dei difetti a V sulla superficie.
2. Iniezione locale: La punta dell'STLM è stata utilizzata come iniettore locale di lacune (tensione positiva, $V_{TIP} > 0$) per creare un contatto Schottky locale sull'eterostruttura esposta. Il dispositivo è stato configurato come un sistema a due terminali in cui la punta fungeva da contatto p e la zona neutra macroscopica di tipo n fungeva da contatto n.
3. Protocollo di misurazione:
   • Mappatura della corrente: Il team ha mappato la corrente di iniezione ($I_{TIP}$) e la corrente differenziale ($\Delta I = I_n - I_p$) per confermare che le lacune iniettate attraversino l'eterostruttura MQW verso il contatto n anziché subire perdite attraverso la superficie.
   • Caratterizzazione I-V locale: La punta è stata fermata in punti prestabiliti della griglia per misurare le caratteristiche corrente-tensione locali. La tensione diretta locale ($V_F$) è stata definita come la tensione della punta necessaria per raggiungere una specifica corrente di iniezione (ad esempio, 10 $\mu$A).
   • Spettroscopia: Sono stati raccolti spettri di elettroluminescenza (EL) locali in posizioni specifiche della punta per analizzare gli spostamenti dell'energia dei fotoni.

Risultati Chiave

1. Riduzione della tensione diretta ai bordi dei difetti a V: L'analisi statistica delle mappe di $V_F$ locale ha rivelato una riduzione sistematica della tensione diretta necessaria per l'iniezione di corrente ai bordi dei difetti a V rispetto alle superfici piatte (0001). La differenza misurata ($\Delta V_F$) è stata di circa -1 V, indipendente dal set di corrente specifico scelto.
2. Conferma del percorso di corrente: Le misurazioni della corrente differenziale hanno confermato che oltre il 99,9% della corrente iniettata dalla punta fluisce attraverso l'eterostruttura MQW verso il contatto n, validando il fatto che l'elettroluminescenza osservata ha origine dalla regione attiva.
3. Spostamenti verso il blu dell'elettroluminescenza: Gli spettri EL locali raccolti ai bordi dei difetti a V hanno mostrato piccoli ma sistematici spostamenti verso il blu (blue shifts) di circa 10 meV rispetto all'emissione del piano (0001).
4. Correlazione con il comportamento macroscopico: La riduzione locale di 1 V della tensione diretta osservata si allinea strettamente con la riduzione macroscopica della tensione diretta osservata nei LED verdi ad alta efficienza contenenti difetti a V.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo sostiene di fornire la prima prova sperimentale diretta a supporto dell'ipotesi dell'iniezione di carica per l'efficienza dei LED potenziata dai difetti a V. Le conclusioni chiave sono:

• Verifica del meccanismo: La riduzione di circa 1 V della tensione diretta locale ai bordi dei difetti a V conferma che questi difetti agiscono come percorsi preferenziali per l'iniezione di cariche, abbassando le barriere di potenziale interne e aumentando così l'efficienza elettrica (EE).
• Dinamica di trasporto: La piccola entità dello spostamento verso il blu osservato (10 meV) indica che la maggior parte delle lacune iniettate ai bordi dei difetti a V viene trasportata lateralmente verso i pozzi quantici del piano (0001) prima che avvenga la ricombinazione radiativa. Ciò supporta i modelli secondo cui la ricombinazione avviene principalmente nei pozzi quantici standard, ma l'iniezione è facilitata dalle faccette dei difetti a V.
• Avanzamento metodologico: Lo studio dimostra la capacità unica dell'STLM di eseguire simultaneamente spettroscopia elettrica e ottica locale su scala nanometrica (risoluzione < 10 nm), colmando il divario tra le prestazioni macroscopiche del dispositivo e i meccanismi fisici microscopici.

Gli autori concludono che questi risultati confermano in modo inequivocabile che i difetti a V migliorano l'efficienza di parete dei LED a nitruro a lunghe lunghezze d'onda riducendo la tensione diretta necessaria per l'iniezione di cariche, un meccanismo guidato dalla geometria specifica e dalla composizione delle faccette dei difetti a V.