Безлюминофорный твердотельный белый светодиод с высокой цветопередачей
Дайсукэ Иида (Daisuke Iida), Чжэ Чжуан (Zhe Zhuang), Павел Кириленко (Pavel Kirilenko), Мартин Веласкес-Ризо (Martin Velazquez-Rizo), Кадзухиро Окава (Kazuhiro Ohkawaa), Научно-технический университет им. короля Абдаллы (KAUST)
Перевод: Василина Рочева
Недавно Дайсукэ Иида (Daisuke Iida), Чжэ Чжуан (Zhe Zhuang), Павел Кириленко (Pavel Kirilenko), Мартин Веласкес-Ризо (Martin Velazquez-Rizo) и Кадзухиро Окава (Kazuhiro Ohkawaa) из Научно-технического университета имени короля Абдаллы (KAUST) в своей публикации «High-color-rendering-index phosphor-free InGaN-based white light-emitting diodes by carrier injection enhancement via V-pits» («Белые безлюминофорные InGaN—светодиоды с высоким индексом цветопередачи и улучшенной инжекцией носителей посредством V-pit») в журнале Applied Physics Letters сообщили об изготовлении безлюминофорных белых светодиодов на основе InGaN методом металлоорганической газофазной эпитаксии.
В данной работе мы сообщаем об изготовлении безлюминофорных белых светодиодов на основе InGaN методом металлоорганической газофазной эпитаксии. Активная область состоит из синих и красных квантовых ям InGaN. Для улучшения инжекции тока и генерации излучения в широком диапазоне длин волн перед выращиванием квантовых ям в светодиодах были специально сформированы дефекты в виде V-образных углублений (V-pit). Твердотельные белые светодиоды излучают в диапазоне 410–770 нм и путем регулировки тока инжекции могут излучать свет со значениями КЦТ (коррелированной цветовой температуры), соответствующими теплому, нейтральному и холодному белому свету. При токе инжекции 10 мА индекс цветопередачи (CRI) белых светодиодов достигает 88. При токе инжекции 30 мА белые светодиоды излучают свет с координатами цветности (0,320 и 0,334) на диаграмме цветности МКО 1931 при CRI 78 и КЦТ 6110 К.
Коммерческие белые светодиоды состоят из синих или фиолетовых кристаллов на основе InGaN и люминофоров, преобразующих длину волны излучения [1–3]. Синие или фиолетовые светодиодные кристаллы служат для оптической накачки люминофоров, которые преобразуют часть излучения кристаллов в излучение с большими длинами волн. Однако этот метод имеет ряд недостатков, таких как потеря энергии из-за стоксова сдвига и деградации люминофора[1, 4]. В этом плане весьма перспективными могут оказаться безлюминофорные белые светодиоды.
Изменяя состав кристаллов из нитридных материалов III группы, можно получать светодиоды с длинами волн излучения во всем диапазоне видимого спектра, что делает их отличными кандидатами для создания интегральных твердотельных (без люминофоров) белых светодиодов с полихроматическим излучением. Исследователи предложили несколько подходов к созданию твердотельных безлюминофорных белых светодиодов на основе InGaN, например, с помощью множественных квантовых ям с различными длинами волн излучения [5–8], наноразмерных матричных структур [9–11], квантовых точек [12, 13], микроструктурирования [14–17] и квантовых ям с оптической накачкой [18,19]. При этом процесс изготовления светодиодов упрощается благодаря отсутствию необходимости использования люминофоров и нано- или микроструктур. Однако для получения белого света светодиодам со встроенными многоцветными планарными квантовыми ямами требуется большой ток инжекции (> 200 мА) [7, 8, 12, 13]. Множественные квантовые ямы InGaN с различным содержанием индия могут излучать полихроматический свет, что при определенных условиях позволяет получать белое излучение. Однако недостатком таких белых светодиодов остается сложность инжекции дырок в планарные множественные квантовые ямы поперек направления роста [6–8]. Неравномерное распределение носителей заряда в квантовых ямах InGaN объясняется низкой подвижностью дырок и пьезоэлектрическим полем [8]. Поэтому при разработке структуры светодиодов необходимо усилить инжекцию дырок, например за счет правильной последовательности квантовых ям, а также использования V-pit и поляризации [5, 8, 20].
В целом, типичные твердотельные белые светодиоды на основе InGaN не имеют красной составляющей излучения, что делает их индекс цветопередачи (CRI) недостаточным (например, < 70) [7, 13] для качественного белого излучения. Чтобы излучать на больших длинах волн, требуется высокая концентрация индия в InGaN, что, однако, сопровождается серьезными вопросами обеспечения высокого качества кристаллов. Рост InGaN с высоким содержанием индия сопряжен с такими проблемами, как низкотемпературный рост [21, 22], большое рассогласование решетки с GaN [23, 24] и квантово-размерный эффект Штарка [25, 26]. Таким образом, прежде чем квантовые ямы красных InGaN светодиодов можно будет использовать в высокоэффективных устройствах, требуется их дальнейшее совершенствование.
В нашем исследовании мы демонстрируем безлюминофорные белые светодиоды на основе интегрированных квантовых ям InGaN с синим и красным излучением. Мы получили красные квантовые ямы InGaN, используя собственные недавно разработанные технологии изготовления красных светодиодов на основе InGaN, такие как высокотемпературный рост [27, 28], управление напряжениями в кристаллической структуре [29, 30] и гибридные структуры множественных квантовых ям [31]. Кроме того, для инжекции дырок в квантовые ямы критически важны V-pit [20, 32, 33]. V-pit вводятся в светодиодные структуры для улучшения инжекции дырок в синие и красные квантовые ямы. Широкий спектр излучения выращенной структуры обеспечивает высокие значения CRI, а изменение тока инжекции позволяет получать различные оттенки белого, такие как холодный или теплый белый.
Светодиодные структуры выращивались методом металлоорганической газофазной эпитаксии в горизонтальном реакторе, рассчитанном на одну пластину [27, 28]. Для повышения эффективности вывода света мы использовали сапфировые подложки с-ориентации с коническими микроструктурами. В состав структуры красной квантовой ямы был включен барьерный слой AlN/AlGaN, компенсирующий деформации и обеспечивающий улучшение качества кристалла [29, 30]. На рис. 1 схематично показано поперечное сечение структуры белого светодиода.
Рис. 1. Схематичное изображение поперечного сечения эпитаксиальной структуры твердотельных белых светодиодов на основе InGaN
Светодиоды состоят из ненамеренно легированного (uid) слоя GaN (2 мкм) с низкотемпературным буферным слоем GaN, слоя n-GaN:Si (8 мкм, n = 2×1018 см−3), слоя n-Al0,03Ga0,97N:Si (0,8 мкм, n = 2−3×1019 см−3), 15 периодов сверхрешеток (SL) uid−GaN (6 нм)/uid-In0,08Ga0,92N (2 нм), слоя n-GaN:Si (15 нм), синей одиночной квантовой ямы (SQW), красной двойной квантовой ямы (DQW), слоя uid-GaN (15 нм), слоя p-GaN:Mg (100 нм) и контактного слоя p+-GaN: Mg (10 нм). Структуры квантовых ям состоят из синей одиночной квантовой ямы In0,2Ga0,8N (2 нм) с барьерными слоями GaN (2 нм)/Al0,13Ga0,87N (18 нм)/GaN (3 нм) и красной двойной квантовой ямы In0,34Ga0,66N (2,5 нм) с барьерными слоями AlN (1,2 нм)/GaN (2 нм)/Al0,13Ga0,87N (18 нм)/GaN (3 нм) [30, 34]. GaN использовался для замены Al0,13Ga0,87N в верхнем барьерном слое второй красной квантовой ямы. Во время роста n-AlGaN в светодиодных структурах формировались V-pit, а слой n-AlGaN получил низкое удельное сопротивление из-за высокой концентрации легирующих примесей Si [35]. Светодиодные чипы размером 250×650 мкм были изготовлены с использованием стандартного метода face-up. На поверхность светодиода с помощью распыления нанесен ITO-слой (оксид индия-олова) толщиной 120 нм [36], после чего проведено травление мезаструктур индуктивно связанной плазмой. Для создания n— и p-контактных площадок осаждались слои Cr (50 нм)/Ni (20 нм)/Au (200 нм) методом электронно-лучевого распыления.
Перед измерением чипов были получены изображения светодиода с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM). Электролюминесценцию измеряли непосредственно на пластине, при постоянном токе и комнатной температуре.
На рис. 2а показаны SEM-изображения морфологии поверхности светодиодов и несколько V-pit двух размеров на поверхности светодиода: большие V-pit диаметром около 500 нм и малые V-pit диаметром около 100 нм. Плотность больших V-pit составляет 1,5×108 см−2, что соответствует плотности дислокаций нижележащего слоя GaN. STEM-изображение (рис. 2б) поперечного сечения показывает, что большие V-pit дефекты создаются из слоев n-AlGaN через прорастающие дислокации.
Рис. 2. а) SEM-изображение вида сверху и б) STEM-изображение поперечного сечения белого светодиода
V-pit формируются на гранях {101¯1}, которые являются типичной плоскостью Ga-полярного роста и обладают потенциалом для улучшения инжекции дырок в квантовые ямы [20, 32, 33]. Кроме того, квантовые ямы на полуполярных стенках V-pit должны характеризоваться уменьшением концентрации индия и проявлений квантово-размерного эффекта Штарка [37, 38], что должно усиливать излучение на длинах волн ниже тех, которые излучаются регулярными участками квантовых ям. Улучшение инжекции тока и увеличение доли излучения с квантовых ям на полуполярных стенках V-pit имеют большое значение для создания твердотельных белых светодиодов. Малые V-pit появляются в результате деградации красных двойных квантовых ям [30], это объясняется тем фактом, что при низкой температуре роста и рассогласовании решеток в InGaN квантовых ямах с большим содержанием индия вероятность образования дефектов высока.
Рис. 3. a) Спектры электролюминесценции при различных значениях тока инжекции 5–100 мА. б) Микроскопическое изображение электролюминесценции при токе инжекции 50 мА. в) Фотография светодиодов на неразделенной пластине, полученная во время измерения электролюминесценции при токе инжекции 30 мА
На рис. 3а показаны спектры электролюминесценции при токе инжекции в диапазоне 5–100 мА. Светодиоды излучают в широком диапазоне для всех измеренных уровней тока. В излучении преобладают две составляющие – синяя и красная, что обусловлено работой двух типов квантовых ям (красных и синих). По мере увеличения тока инжекции обе составляющие излучения сдвигаются в сторону синего. При увеличении тока инжекции с 5 до 100 мА синий и красный пики смещаются на 16 и 22 нм соответственно. Эти значительные смещения в сторону коротких длин волны типичны и объясняются квантово-размерным эффектом Штарка [25, 26]. Локализованное излучение распространяется в светодиодных чипах, способствуя расширению электролюминесценции (рис. 3б). Светодиоды InGaN с высоким содержанием индия имеют локализованные состояния из-за разделения фаз [29, 30, 39]. Локализованное синее излучение исходит от квантовых ям на полуполярных боковых стенках V-pit, и смешивание этих локализованных излучений улучшает значение CRI, создавая естественное белое излучение (рис. 3в). Напротив, светодиоды без больших V-pit имеют только красное излучение, как говорилось в наших предыдущих отчетах [30, 34]. Таким образом, V-pit вносят значительный вклад в инжекцию тока в синюю одиночную квантовую яму.
На рис. 4 представлено значение CRI и соотношение синего и красного пиков в зависимости от тока инжекции.
Рис. 4. CRI и соотношение синего и красного пиков белых светодиодов в зависимости от тока инжекции
Значение CRI твердотельного белого светодиода достигает 88 при токе инжекции 10 мА. Значение индекса цветопередачи чувствительно к соотношению синего и красного пиков, результаты измерений показывают, что по мере увеличения соотношения синего и красного пиков значение CRI уменьшается, оставаясь, тем не менее, на уровне 73 при большом токе инжекции, что объясняется красной составляющей излучения. При токе инжекции более 20 мА основной пик излучения переключается с красного на синий, что влияет на цвет белого излучения.
На рис. 5 показаны координаты цветности МКО 1931, соответствующие спектрам электролюминесценции белых светодиодов при различных уровнях тока.
Рис. 5. Диаграмма цветности МКО 1931 с указанием координат цветности. Кружками обозначены координаты цветности белых светодиодов при токе инжекции 5–100 мА. Квадраты соответствуют светодиодам без больших V-pit при токе инжекции 20 мА [30, 34]. Черная кривая показывает локус абсолютно черного тела
Излучение светодиодов можно настроить от теплого оттенка (при токе инжекции 5 мА) до холодного (при увеличении тока до 100 мА). Примечательно, что излучение электролюминесценции при 30 мА имеет координаты МКО (x, y) = (0,320; 0,334). Это излучение имеет CRI 78 и близко соответствует кривой абсолютно черного тела. КЦТ также постепенно смещается и достигает 3150, 3720, 6110 и 12 600 К при 5, 10, 30 и 100 мА соответственно.
На рис. 6 изображены кривые прямого напряжения и светового потока белых светодиодов при различных уровнях тока инжекции при комнатной температуре.
Рис. 6. Падение напряжения и интенсивность электролюминесценции белых светодиодов в зависимости от тока инжекции
Прямое напряжение для белых светодиодов составляет 3,0 В при токе 20 мА, что меньше значения, полученного при измерении наших красных светодиодов (3,4 В при 20 мА) [30]. Более низкое прямое напряжение объясняется увеличением инжекции носителей через V-pit [20, 32, 33]. Световой поток линейно возрастает при увеличении тока инжекции. Наконец, электрические характеристики устройства указывают на хорошее для твердотельных белых светодиодов качество p—n-перехода.
Таким образом, в данной работе продемонстрирована возможность изготовления белых твердотельных светодиодов. Светодиоды были изготовлены с помощью упрощенного процесса без применения люминофора и без использования нано- или микроструктур. Образование больших V-pit в слоях n-AlGaN способствует переносу носителей в синие и красные квантовые ямы. Твердотельные белые светодиоды имеют CRI до 88 при токе инжекции 10 мА (2,8 В). Кроме того, они излучают высококачественный белый свет с координатами цветности МКО (x, y) (0,320; 0,334), CRI 78, и КЦТ 6110 K при 30 мА (3,2 В). Меняя значение тока инжекции, можно регулировать цвет излучения от теплого до холодного белого. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности технологии изготовления твердотельных белых светодиодов для их последующего применения в качестве источников света.
Работа выполнена при финансовой поддержке Научно-технического университета имени короля Абдаллы (KAUST) (№ BAS/1/1676-01-01).
источник: Led-professional.com
Литература
F. Schubert and J. K. Kim, Science 308, 1274 (2005). https://doi.org/10.1126/science.1108712, Google Scholar, Crossref
Narukawa, M. Ichikawa, D. Sanga, M. Sano, and T. Mukai, J. Phys. D 43, 354002 (2010). https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/35/354002, Google Scholar, Crossref
W. Houser, M. Wei, A. David, and M. R. Krames, Leukos 10, 165 (2014). https://doi.org/10.1080/15502724.2014.902750, Google Scholar, Crossref
Meneghini, L.-R. Trevisanello, F. de Zuani, N. Trivellin, G. Meneghesso, and E. Zanoni, Proc. SPIE 7422, 74220H (2009). https://doi.org/10.1117/12.826062, Google Scholar, Crossref
Yamada, Y. Narukawa, and T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys., Part 2 41, L246 (2002). https://doi.org/10.1143/JJAP.41.L246, Google Scholar, Crossref
Lee, I. Choi, C. R. Lee, T. H. Chung, Y. S. Kim, K. U. Jeong, D. C. Chung, and J. S. Kim, Sci. Rep. 7, 7164 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-07808-2, Google Scholar, Crossref
Yadav, I. E. Titkov, A. V. Sakharov, W. V. Lundin, A. E. Nikolaev, G. S. Sokolovskii, A. F. Tsatsulnikov, and E. U. Rafailov, Appl. Sci. 8, 1158 (2018). https://doi.org/10.3390/app8071158, Google Scholar, Crossref
Poyiatzis, M. Athanasiou, J. Bai, Y. Gong, and T. Wang, Sci. Rep. 9, 1383 (2019). https://doi.org/10.1038/s41598-018-37008-5, Google Scholar, Crossref
W. Lin, Y. J. Lu, H. Y. Chen, H. M. Lee, and S. Gwo, Appl. Phys. Lett. 97, 073101 (2010). https://doi.org/10.1063/1.3478515, Google Scholar, Scitation
R. Philip, D. D. Choudhary, M. Djavid, M. N. Bhuyian, J. Piao, T. T. Pham, D. Misra, and H. P. T. Nguyen, J. Vac. Sci. Technol., B 35, 02b108 (2017). https://doi.org/10.1116/1.4977174, Google Scholar, Crossref
Kishino, N. Sakakibara, K. Narita, and T. Oto, Appl. Phys. Express 13, 014003 (2020). https://doi.org/10.7567/1882-0786/ab5ad3, Google Scholar, Crossref
J. Li, P. P. Li, J. J. Kang, Z. Li, Z. C. Li, J. Li, X. Y. Yi, and G. H. Wang, Appl. Phys. Express 6, 102103 (2013). https://doi.org/10.7567/APEX.6.102103, Google Scholar, Crossref
Li, P. Li, J. Kang, J. Ding, J. Ma, Y. Zhang, X. Yi, and G. Wang, Sci. Rep. 6, 35217 (2016). https://doi.org/10.1038/srep35217, Google Scholar, Crossref
Y. Cho, I. K. Park, M. K. Kwon, J. Y. Kim, S. J. Park, D. R. Jung, and K. W. Kwon, Appl. Phys. Lett. 93, 241109 (2008). https://doi.org/10.1063/1.3049607, Google Scholar, Scitation, ISI
Funato, T. Kondou, K. Hayashi, S. Nishiura, M. Ueda, Y. Kawakami, Y. Narukawa, and T. Mukai, Appl. Phys. Express 1, 011106 (2008). https://doi.org/10.1143/APEX.1.011106, Google Scholar, Crossref
L. Lee, Y. H. Yeh, S. J. Tu, P. C. Chen, W. C. Lai, and J. K. Sheu, Opt. Express 23, A401 (2015). https://doi.org/10.1364/OE.23.00A401, Google Scholar, Crossref
F. Yang, P. Chen, S. M. Gao, G. Q. Chen, R. Zhang, and Y. D. Zheng, Photonics Res. 4, 17 (2016). https://doi.org/10.1364/PRJ.4.000017, Google Scholar, Crossref
Damilano, P. Demolon, J. Brault, T. Huault, F. Natali, and J. Massies, J. Appl. Phys. 108, 073115 (2010). https://doi.org/10.1063/1.3490895, Google Scholar, Scitation, ISI
J. Kowsz, C. D. Pynn, S. H. Oh, R. M. Farrell, J. S. Speck, S. P. DenBaars, and S. Nakamura, Appl. Phys. Lett. 107, 101104 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4930304, Google Scholar, Scitation, ISI
Kang, J.-T. Oh, J.-O. Song, T.-Y. Seong, M. Kneissl, and H. Amano, Appl. Phys. Express 12, 102016 (2019). https://doi.org/10.7567/1882-0786/ab45d1, Google Scholar, Crossref
Koukitu, N. Takahashi, T. Taki, and H. Seki, J. Cryst. Growth 170, 306 (1997). https://doi.org/10.1016/S0022-0248(96)00535-0, Google Scholar, Crossref
Yamashita, H. Tamura, N. Horio, H. Sato, K. Taniguchi, T. Chinone, S. Omori, and C. Funaoka, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1 42, 4197 (2003). https://doi.org/10.1143/JJAP.42.4197, Google Scholar, Crossref
Shimizu, Y. Kawaguchi, K. Hiramatsu, and N. Sawaki, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1 36, 3381 (1997). https://doi.org/10.1143/JJAP.36.3381, Google Scholar, Crossref
Holec, P. M. F. J. Costa, M. J. Kappers, and C. J. Humphreys, J. Cryst. Growth 303, 314 (2007). https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2006.12.054, Google Scholar, Crossref
Takeuchi, S. Sota, M. Katsuragawa, M. Komori, H. Takeuchi, H. Amano, and I. Akasaki, Jpn. J. Appl. Phys., Part 2 36, L382 (1997). https://doi.org/10.1143/JJAP.36.L382, Google Scholar, Crossref
Takeuchi, C. Wetzel, S. Yamaguchi, H. Sakai, H. Amano, I. Akasaki, Y. Kaneko, S. Nakagawa, Y. Yamaoka, and N. Yamada, Appl. Phys. Lett. 73, 1691 (1998). https://doi.org/10.1063/1.122247, Google Scholar, Scitation, ISI
Ohkawa, T. Watanabe, M. Sakamoto, A. Hirako, and M. Deura, J. Cryst. Growth 343, 13 (2012). https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2011.12.075, Google Scholar, Crossref
Ohkawa, F. Ichinohe, T. Watanabe, K. Nakamura, and D. Iida, J. Cryst. Growth 512, 69 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2019.02.018, Google Scholar, Crossref
Iida, S. Lu, S. Hirahara, K. Niwa, S. Kamiyama, and K. Ohkawa, J. Cryst. Growth 448, 105 (2016). https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.05.023, Google Scholar, Crossref
Iida, Z. Zhuang, P. Kirilenko, M. Velazquez-Rizo, M. A. Najmi, and K. Ohkawa, Appl. Phys. Lett. 116, 162101 (2020). https://doi.org/10.1063/1.5142538, Google Scholar, Scitation, ISI
Iida, K. Niwa, S. Kamiyama, and K. Ohkawa, Appl. Phys. Express 9, 111003 (2016). https://doi.org/10.7567/APEX.9.111003, Google Scholar, Crossref
Lv, J. Liu, C. Mo, J. Zhang, X. Wu, Q. Wu, and F. Jiang, ACS Photonics 6, 130 (2019). https://doi.org/10.1021/acsphotonics.8b01040, Google Scholar, Crossref
Jiang, J. Zhang, L. Xu, J. Ding, G. Wang, X. Wu, X. Wang, C. Mo, Z. Quan, X. Guo, C. Zheng, S. Pan, and J. Liu, Photonics Res. 7, 144 (2019). https://doi.org/10.1364/PRJ.7.000144, Google Scholar, Crossref
Iida, Z. Zhuang, P. Kirilenko, M. Velazquez-Rizo, and K. Ohkawa, Appl. Phys. Express 13, 031001 (2020). https://doi.org/10.35848/1882-0786/ab7168, Google Scholar, Crossref
Sugiyama, D. Iida, T. Yasuda, M. Iwaya, T. Takeuchi, S. Kamiyama, and I. Akasaki, Appl. Phys. Express 6, 121002 (2013). https://doi.org/10.7567/APEX.6.121002, Google Scholar, Crossref
Zhuang, D. Iida, P. Kirilenko, M. Velazquez-Rizo, and K. Ohkawa, Opt. Express 28, 12311 (2020). https://doi.org/10.1364/OE.389725, Google Scholar, Crossref
Wang, R. Shimma, T. Yamamoto, H. Hayashi, K.-I. Shiohama, K. Kurihara, R. Hasegawa, and K. Ohkawa, J. Cryst. Growth 416, 164 (2015). https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2015.01.028, Google Scholar, Crossref
R. Zhao, G. E. Weng, J. Y. Wang, J. Y. Zhang, H. W. Liang, T. Sekiguchi, and B. P. Zhang, Nanoscale Res. Lett. 10, 459 (2015). https://doi.org/10.1186/s11671-015-1171-1, Google Scholar, Crossref
-I. Hwang, R. Hashimoto, S. Saito, and S. Nunoue, Appl. Phys. Express 7, 071003 (2014). https://doi.org/10.7567/APEX.7.071003, Google Scholar, Crossref
Сообщение Безлюминофорный твердотельный белый светодиод с высокой цветопередачей появились сначала на Журнал Современная светотехника.
