量子障壁薄膜化によるInGaN/GaN μLEDの表面再結合抑制と効率向上

要旨

InGaNベースのマイクロ発光ダイオード（μLED）は、高い表面積対体積比のため、側壁欠陥によって誘起される表面再結合の影響を強く受けます。さらにチップサイズが縮小すると電流拡散が増大し、キャリア注入と外部量子効率（EQE）がさらに制限されます。本研究では、電流拡散効果を管理することで側壁欠陥における非放射再結合率を低減することを提案します。そのために、量子障壁厚を適切に減らして垂直抵抗率を下げ、電流が側壁欠陥へ水平に広がるのを抑制します。その結果、キャリアが表面非放射再結合で消費される量が大幅に減少します。計算結果は、抑制された表面非放射再結合が正孔注入効率を向上させることを示しています。また、Si基板上に成長したμLEDを作製し、測定結果が数値計算と一致しました。適切に薄い量子障壁を持つ提案μLEDでは、電流拡散効果の低減と表面非放射再結合の減少によりEQEが向上します。

はじめに

高輝度、低消費電力、長寿命という特徴により[1]、III族窒化物ベースの発光ダイオード（LED）は広範な研究関心を集めています[2, 3]。これまで大面積InGaN/GaN青色LEDで著しい進歩が達成され実用化されており[3]、固体照明や大型パネルディスプレイに応用されています。しかし、従来のInGaN/GaN LEDは変調帯域幅が小さく、可視光通信（VLC）[4-6]には不向きです。また、チップサイズが大きいため、携帯電話ディスプレイやウェアラブルウォッチディスプレイなどで画素密度が低くなります。したがって現在、チップサイズ100 μm未満のInGaN/GaNマイクロLED（μLED）が注目されています。前述の利点がある一方で、μLEDの更なる発展には高精度マストランスファー[7-9]やサイズ依存効率[10]など解決すべき課題が多く残っています。サイズ依存効率は、メサ形成時のドライエッチングによる表面損傷から生じ、大量の欠陥が非放射表面再結合を引き起こします。様々な光電子デバイスにおいて結晶品質と電荷輸送は光電子特性に影響する本質的パラメータです[11-16]。μLEDに特有なのは、欠陥領域での表面再結合が内部量子効率（IQE）を著しく低下させることです[17]。最近、Kouらはチップサイズ縮小に伴い正孔が欠陥により容易にトラップされ、正孔注入能力がさらに悪化することを発見しました[18]。したがって側壁欠陥密度を低減することが重要です。側壁欠陥をパッシベートする便利な方法は誘電体パッシベーション層の堆積[19]で、プラズマCVD（PECVD）法や原子層堆積（ALD）法で実現可能です。ALD技術を用いると成長膜の品質がさらに良いため、側壁欠陥をより良く消滅させられることが示されています[20]。パッシベーション層を熱アニールすることで側壁欠陥数をさらに減らせ、6 μm×6 μm μLEDでもEQE向上が示されています[21]。チップサイズが縮小し続けると横方向抵抗率低下により電流拡散がさらに良くなることが知られています[22]。したがって、垂直抵抗率を低減して電流をメサ内に閉じ込め、キャリアを側壁欠陥から遠ざけ、表面非放射再結合を抑制することを提案します。

この目的で、量子障壁厚を減らしてエネルギー障壁と垂直抵抗を管理することを提案します。数値計算により、電流がメサ内により横方向に閉じ込められ、表面非放射再結合による正孔消費が減少することを示します。減少した表面非放射再結合は、先行報告[18]によれば正孔注入を促進することも分かります。さらに、薄膜化した量子障壁は多重量子井戸（MQW）全体での正孔分布を均質化します。実験結果は、量子障壁厚を減らしたμLEDでEQEが改善されることを示しています。

研究方法と物理モデル

提案構造の表面再結合抑制、正孔注入促進、InGaN-μLEDのEQE改善効果を実証するため、異なるセットのμLEDを設計し、[111]方位Si基板上に金属有機化学気相成長（MOCVD）システム[23, 24]で成長させました。全デバイスは電子濃度5×10¹⁸ cm⁻³の4 μm厚n-GaN層を持ちます。続いて、光子生成用に4対のIn_0.18Ga_0.82N/GaN MQWを利用。構造情報は表1に示します。次に、正孔濃度3×10¹⁷ cm⁻³の26 nm厚p-Al_0.15Ga_0.85N層をp型電子ブロッキング層（p-EBL）として用い、さらに正孔濃度3×10¹⁷ cm⁻³の100 nm厚p-GaN層でキャップします。最後に両μLED試料を20 nm厚p-GaN層で覆います。調査した全InGaNベース青色μLEDのチップ寸法は10×10 μm²です。200 nm ITOを電流拡散層として用い、500℃で120秒アニールしてp-GaN層とオーミックコンタクトを形成。その後、Ti/Al/Ni/Au合金を電流拡散層とn-GaN層に同時に堆積し、それぞれp電極とn電極としました。

デバイス物理を深く明らかにするため、調査デバイスをAPSYS[25, 26]で計算しました。これはドリフト・拡散方程式、シュレディンガー方程式、ポアソン方程式を自己整合的に解けます。光取り出し効率はフリップチップデバイスで88.1%に設定[27]。InGaN/GaN MQWにおける伝導帯と価電子帯のエネルギーバンドオフセット比を70:30に設定[28]。キャリア損失として非放射再結合も考慮：オーゲ再結合（再結合係数1×10⁻³⁰ cm⁶s⁻¹）とショックリー・リード・ホール（SRH）再結合（キャリア寿命100 ns）[29]。μLEDではメサ表面での非放射再結合を無視できません。表面再結合を正確にモデル化するため、電子と正孔のトラップ準位をそれぞれ伝導帯下0.24 eV（E_c−0.24 eV）、価電子帯上0.46 eV（E_v+0.46 eV）に設定。電子トラップの捕獲断面積3.4×10⁻¹⁷ cm²、トラップ密度1×10¹³ cm⁻³[30]。正孔トラップの捕獲断面積2.1×10⁻¹⁵ cm²、トラップ密度1.6×10¹³ cm⁻³[31]。その他パラメータは文献[32]参照。

結果と考察

量子障壁薄膜化によるμLEDメサ領域内電流閉じ込めの実証

量子障壁が薄くなるとより良い正孔注入が得られることは知られています[33]。しかし、薄い量子障壁がμLEDで電流をメサ内に閉じ込める助けになるかは不明でした。この点を検証するため、表1に従い量子障壁厚をそれぞれ6 nm、9 nm、12 nmとしたμLED A、B、Cを用意しました。表面再結合がキャリア分布に与える影響を除外するため[18]、調査μLEDではメサ周辺のトラップを考慮しません。図1に、μLED A、B、Cそれぞれの注入電流密度に対する計算EQEと光出力を示します。図1に示すように、量子障壁厚を減らすとEQEと光出力の両方が増加し、40 A/cm²でのEQE値はμLED A、B、Cでそれぞれ28.8%、24.0%、22.2%となります。

μLED A、B、Cそれぞれの注入電流密度に対する計算EQEと光出力密度

図2に、40 A/cm²でのμLED A、B、CのMQW領域における正孔濃度プロファイルを示します。量子障壁厚を減らすと量子井戸内の正孔濃度が増加します。同時に、4つの量子井戸における正孔分布の空間的均一性も改善されます。したがって、μLEDでの知見は大面積LEDでの知見と整合的で、適切に薄い量子障壁は正孔輸送を促進します[33]。前述の通り、薄い量子障壁を採用すると電流がメサ端まで広がりにくくなります。図3aに、p-EBLに最も近い第1量子井戸における横方向正孔分布を示します。正孔濃度はp電極から離れた横方向位置に沿って減少します。正孔のドロープレベルをp_left−p_right/p_leftで定義して計算しました。ここでp_leftとp_rightはそれぞれ左メサ端と右メサ端での正孔濃度です。ドロープレベルはμLED A、B、Cでそれぞれ10.7%、10.3%、9.8%でした。より良い説明のため、図3aに描かれた横方向正孔濃度を正規化して図3bに示します。これも量子障壁が薄くなるとドロープレベルが増加することを示しています。

数値計算されたMQW領域におけるμLED A、B、Cの正孔濃度プロファイル。データは40 A/cm²の電流密度で計算。インセット図はデータプロファイル取得位置を示す

(a) 数値計算された正孔濃度プロファイル、および(b) 正規化正孔濃度プロファイル。p-EBL近くの第1量子井戸におけるμLED A、B、Cそれぞれ。インセット図は正孔濃度プロファイル取得位置を示す。データは40 A/cm²で計算

図4a〜cにμLED A、B、Cのエネルギーバンド図を示します。全量子障壁の価電子帯障壁高さが量子障壁厚減少に伴い低下することを示しています。低下した価電子帯障壁高さはMQW領域での正孔輸送を促進し、図2と整合的です。一方、量子障壁を薄くすると垂直抵抗率が対応して低下します。Cheら[34]の報告によれば、垂直抵抗が減少すると横方向電流拡散が抑制され、電流がメサ端から離れる傾向になります。この推測は図3a、bを参照することでも証明されます。

μLED (a) A、(b) B、(c) Cのエネルギーバンド図。E_v、E_fhはそれぞれ価電子帯と正孔準フェルミレベルを示す。データは40 A/cm²で計算

前述の通り、量子障壁を厚くすると電流拡散が増大し、キャリア再結合プロセスに影響を与えます。図5にメサ端でのSRH再結合と放射再結合の比率を示します。比率は \( {R}_{\mathrm{SRH}}/{R}_{\mathrm{rad}}={\int}_0^{{\mathrm{t}}_{\mathrm{MQW}}}{R}_{\mathrm{SRH}}(x)\times \mathrm{dx}/{\int}_0^{{\mathrm{t}}_{{{}_{\mathrm{M}}}_{\mathrm{QW}}}}{R}_{\mathrm{rad}}(x)\times \mathrm{dx} \) で計算。ここでR_SRH(x)はSRH再結合率、R_rad(x)は放射再結合率、t_MQWはMQW領域総厚。図5は、メサ端でのR_SRH/R_rad比率が量子障壁厚増加とともに減少することを示し、理想的μLEDアーキテクチャでは電流拡散効果改善により放射再結合率が向上することを意味します。これはμLEDが著しく縮小したチップサイズにより優れた電流拡散を持つためです[21, 22]。注：図5ではまだ表面再結合を考慮していません。したがって、現実的なμLEDではさらに優れた電流拡散効果が、表面不完全性を考慮してモデル化されるキャリア放射再結合を犠牲にする可能性があり、詳細な議論は後述します。

μLED A、B、Cの積分SRH再結合(SRH)率と積分放射再結合率の比率。インセット(a)、(b)、(c)はそれぞれμLED A、B、Cのメサ端におけるSRH再結合(SRH)率と放射再結合率のプロファイル。データは40 A/cm²で計算

薄い量子障壁を持つMQWによる表面再結合低減

異なる量子障壁厚を持つμLEDでの表面再結合が正孔注入に与える影響を探るため、さらにμLED I、II、IIIを設計しました。μLED I、II、IIIのMQW構造情報はμLED A、B、Cと同一（表1参照）ですが、μLED I、II、IIIでは表面欠陥を考慮し、エッチングメサ端から0.5 μm幅の欠陥領域を設定しました。

数値計算されたEQEと光出力の電流密度依存性を図6に示します。図6は、表面非放射再結合を考慮すると光強度が著しく低下することを示し、μLEDでは表面非放射再結合を無視できないことをさらに確認しています[10, 17, 18]。同時に、図1の観察とよく一致し、量子障壁厚減少に伴いEQEと光出力も向上します。例えば、最も薄い量子障壁を持つμLED Iが最大のEQEと光出力を示します。μLED IとIIIの実験測定EQEを図6aインセットに示し、数値計算結果と同じ傾向を示します。また、μLED IとIIIの規格化電気発光（EL）スペクトルを図6b、cに測定・表示。全テストμLEDのピーク発光波長は約450 nm。測定ELはモデルで再現可能であり、MQWの発光波長を決定する分極レベルとInN組成などの物理パラメータが正しく設定されていることを示します。

μLED I、II、IIIそれぞれの注入電流密度に対する計算EQEと光出力密度。図(a)のインセットはμLED IとIIIの実験測定EQE。図(b)と(c)のインセットはμLED I、IIIの測定および数値計算ELスペクトル。インセット図(b)と(c)のデータは40 A/cm²で取得

μLED I、II、IIIの側壁欠陥が正孔注入効率に与える影響を明らかにするため、正孔濃度を図7に示します。図7aの正孔濃度はデバイス中央領域でプローブしたもの（図7aインセットの赤矢印で示す位置）。図7bはデバイス欠陥領域での正孔濃度（図7bインセットの赤矢印位置）。図7a、bが示すように、非欠陥領域と側壁領域の両方で、量子障壁厚減少がMQW全体での正孔輸送を促進します。結果は図2と整合的です。図7aとbを比較すると、欠陥側壁領域での正孔注入効率が非欠陥領域より明らかに低いことがわかります。この観察はKouら[18]とよく一致し、量子障壁厚を適切に減らして電流を欠陥側壁に広がりにくくすることが本質的に必要であることをさらに裏付けています（図3a、b参照）。

MQW領域における数値計算正孔濃度プロファイル：(a) 中央、(b) メサ端。μLED I、II、IIIそれぞれ。データは40 A/cm²で計算。インセット図は正孔濃度プロファイル取得位置を示す

図5と同じ解析を繰り返し、その結果を図8に示します。R_SRH/R_rad比率がメサ端で量子障壁厚増加とともに増加することがわかります。これは著しく増大した表面非放射再結合率に特有です。提案通り、厚い量子障壁では電流がメサ端に到達し表面非放射再結合を引き起こします。その結果、インセット図a〜cも示すように、側壁での表面非放射再結合が極めて強くなります。側壁での非放射再結合率は放射再結合率を圧倒します。

μLED I、II、IIIの積分SRH再結合(SRH)率と積分放射再結合率の比率。インセット図(a)、(b)、(c)はそれぞれμLED I、II、IIIのメサ端におけるSRH再結合(SRH)率と放射再結合率のプロファイル。データは40 A/cm²で計算

結論

要約すると、InGaNベースμLEDにおける異なる量子障壁厚が正孔注入と電流拡散に与える影響を数値的に調査・実証しました。結果は、量子障壁厚を薄くすることでメサ領域内へのより良い電流閉じ込めが可能になることを示しています。対応して電流拡散をうまく管理してメサ端から遠ざけ、表面非放射再結合を抑制できます。数値的にも実験的にも、適切に薄い量子障壁を持つInGaNベースμLEDで外部量子効率が改善されることを観察しました。提案アプローチは、高性能μLED開発を制限するボトルネックを除去する上で有望だと考えます。また、本研究で提示されたデバイス物理はInGaNベースμLEDの理解を深めるでしょう。

データおよび資料の入手可能性

本研究のデータと解析は、合理的な要請があれば責任著者から入手可能です。

略語

μLEDs:

マイクロ発光ダイオード

EQE:

外部量子効率

LEDs:

発光ダイオード

InGaN:

インジウムガリウム窒化物

GaN:

ガリウム窒化物

VLC:

可視光通信

IQE:

内部量子効率

PECVD:

プラズマ化学気相成長

ALD:

原子層堆積

MQWs:

多重量子井戸

MOCVD:

金属有機化学気相成長

p-EBL:

p型電子ブロッキング層

APSYS:

半導体デバイス高度物理モデル

SRH:

ショックリー・リード・ホール