Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5916
Main Title: Non-radiative loss mechanisms in InGaN/GaN multiple quantum well light-emitting diodes
Translated Title: Nicht-strahlende Verlustmechanismen in InGaN/GaN Multi-Quantentopf-Licht-emittierenden Dioden
Author(s): Nippert, Felix
Advisor(s): Hoffmann, Axel
Referee(s): Hoffmann, Axel
Maultzsch, Janina
Waag, Andreas
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Has Part: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5926
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5927
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5928
Abstract: InGaN/GaN quantum wells (QWs) are commonly used for blue and green light-emitting diodes (LEDs), for example in solid-state lighting (SSL). While such structures are already in mass-production, there are still several open questions. They show drastic reductions in internal quantum efficiency (IQE) towards longer wavelengths (“green gap”), as well as with increased drive current (“droop”). In addition, advanced high-power applications, such as green laser diodes (LDs), are still far from commercial use. In this work, the principal physical limitations of the InGaN/GaN technology are investigated. To this end, state-of-the-art InGaN/GaN multiple quantum wells (MQWs) structures are investigated in two power regimes. Under intense quasi-resonant, optical excitation a novel high excitation luminescence in the blue spectral region is observed for green-emitting QWs. This, broad (several hundred meV), featureless, fast-decaying (down to 30 ps lifetime) luminescence cannot be attributed to excited electron states, but rather is attributed to the confined hole continuum (CHC). The CHC is formed by excited quasi-continuous hole states confined by the triangular potential created by a QW–barrier pair due to the quantum-confined Stark effect (QCSE). Such states are energetically close to the GaN bulk states, implying that they could contribute to carrier leakage in high-power applications such as laser structures. State-of-the-art LED structures, operating in conventional power regimes and suffering from the green gap and droop phenomena, are investigated by a novel technique, which is established in this work. It relies on differential lifetime (DLT) measurements, performed in an electro-optical pump-probe setup: small-signal time-resolved photoluminescence (SSTRPL). The technique improves on previous approaches by combining steady-state electrical pumping identical to operating conditions, with time-dependent quasi-resonant optical probe excitation. In contrast to current modulation methods, this guarantees carrier insertion into the active layer only. SSTRPL therefore allows detailed insight into the recombination pathways, as conventionally modeled with the ABC model. In a temperature-dependent analysis of blue- and green-emitting MQW LEDs, the origin of the green gap phenomenon is elucidated. First, the Shockley-Read-Hall (SRH) recombination coefficient is shown to have the same magnitude and activation energy in blue and green-emitting InGaN layers, implying very similar defect densities. This allows to withdraw growth issues related to the higher incorporation of In from the list of potential causes of the green gap. Second, radiative and Auger recombination are drastically reduced in green-emitting structures. This effect can partly be blamed on the increasing QCSE, but is also caused by increasing hole localization. The latter is confirmed by considering the abnormal temperature dependence of the radiative recombination coefficient, which is increasing, rather than decreasing, with temperature. Finally, the green gap efficiency reduction is shown to originate primarily from a shift in the balance between radiative and Auger recombination, intricately connected to the increasing localization of holes, as it occurs even in the random alloy. The results obtained suggest that any further efficiency increase in conventional c-plane technology may only be reached by improving the uniformity of the random alloy. This parameter is very difficult to access directly with structural investigations. Therefore, (temperature-dependent) SSTRPL will be an important tool to track progress in the future, because it allows to access the atomic-scale localization properties in a non-destructive electro-optical measurement.
InGaN/GaN Quantentöpfe (QW) werden heute standardmäßig für blau- und grünemittierende Leuchtdioden (LEDs) eingesetzt, zum Beispiel in der Raumbeleuchtung. Obwohl derartige Strukturen im großindustriellen Maßstab hergestellt werden, gibt es noch einige offene Fragen. Zum einen zeigen sie eine drastische Verringerung der internen Quanteneffizienz (IQE) zu längeren Wellenlängen („Green Gap“), zum anderen nimmt die Effizienz auch zu hohen Betriebsströmen deutlich ab („Droop“). Ferner sind Hochleistungsanwendungen, wie zum Beispiel grüne Laserdioden, noch weit von der industriellen Massennutzung entfernt. In dieser Arbeit werden daher die grundlegenden physikalischen Limitierungen der InGaN/GaN-Technologie beleuchtet. Zu diesem Zweck werden dem Stand der Technik entsprechende InGaN/GaN Mehrfach- Quantentöpfe (MQW) in zwei verschiedenen Leistungsregimen untersucht. In grün-emittierenden QWs wird in quasi-resonanter, optischer Hochanregung eine neuartige Lumineszenz im blauen Spektralbereich beobachtet. Diese ist spektral sehr breit (mehrere Hundert meV), kontinuierlich und weist eine schnelle Zerfallszeit (bis hinab zu 30 ps) auf. Diese Lumineszenzbande kann nicht angeregten elektronischen Zuständen zugeordnet werden. Stattdessen wird sie als Rekombination von Elektronen mit hoch-angeregten Löchern im Confinement (CHC) beschrieben. Das Confinement ergibt sich aus der verkippten Bandstruktur in der Heterostruktur, wobei ein QW und eine Barriere ein dreiecksförmiges Potential bilden. In diesem befinden sich quasi-kontinuierliche Lochzustände. Da diese Zustände energetisch nahe an der GaN Valenzbandkante liegen, stellen sie einen potentiellen Verlustkanal dar, insbesondere für Hochanregungsanwendungen wie Laserdioden. Für LED-Strukturen, welche in gemäßigteren Leistungsbereichen betrieben werden, und die von „Green Gap“ und „Droop“ betroffen sind, wird in dieser Arbeit eine neue spektroskopische Technik etabliert. Hierfür wird die differentielle Lebenszeit der Ladungsträger (DLT) mit einem elektrooptischen Pump-Probe-Verfahren, der Klein-Signal zeitaufgelöste Photolumineszenz (SSTRPL), bestimmt. Diese Methode verbessert konventionelle Verfahren, indem sie elektrische Anregung (Pump) analog zum normalen LED-Betrieb mit zeitabhängiger, quasi-resonanter optischer Anregung (Probe) kombiniert. Im Gegensatz zu Methoden, in denen der Strom moduliert wird, kann bei dieser garantiert werden, dass die zusätzlichen Ladungsträger ausschließlich in den QWs generiert werden. Mit Hilfe der SSTRPL kann ein detaillierter Einblick in die üblicherweise mit dem ABC-Modell modellierten Rekombinationskanäle gewonnen werden. In einer zeitabhängigen Studie von blau- und grün-emittierenden LEDs wird schließlich auch der Ursprung des „Green Gap“ klarer. Einerseits ist der nicht-strahlende Shockley-Read-Hall-Rekombinationskoeffizient in blauen und grünen LEDs sowohl ungefähr gleich groß und weist auch eine vergleichbare Aktivierungsenergie auf. Dies impliziert sehr vergleichbare Defektdichten in den jeweiligen InGaN-Schichten, sodass Wachstumsprobleme durch die höhere Indiumkonzentration als potentielle Ursache des „Green Gap“ ausgeschlossen werden können. Andererseits zeigt sich im grünen Spektralbereich eine drastische Verringerung der strahlenden und Auger-Rekombination. Nur zum Teil kann diese Verringerung mit dem stärker werdenden Quantum-Confined Stark-Effekt erklärt werden. Zusätzlich ist auch eine stärkere werdende Lochlokalisierung für dieses Phänomen verantwortlich. Diese kann mit Hilfe der abnormalen Temperaturabhängigkeit des strahlenden Rekombinationskoeffizienen bestätigt werden, welcher mit zunehmender Temperatur ansteigt, anstatt zu sinken. Letztendlich kann der „Green Gap“ vor allem auf eine Verschiebung im Rekombinationsgleichgewicht zwischen strahlender und Auger-Rekombination zurückgeführt werden, welche mit einer steigenden Lochlokalisierung verknüpft ist, die selbst bei komplett zufälliger Legierung von InN und GaN unvermeidlich ist. Schließlich folgt, dass weitere Effizienzsteigerungen in der konventionellen, c-planaren Technologie nur erreicht werden können, wenn die Uniformität der Legierung verbessert wird. Allerdings ist dieser Parameter nur sehr schwer mit strukturellen Methoden bewertbar, da sich die Abweichungen von der idealen Legierung nur auf atomarer Ebene abzeichnen. Daher ist die entwickelte Methode (SSTRPL) insbesondere in Abhängigkeit der Temperatur ideal geeignet, um etwaige Fortschritte auf diesem Gebiet zu bewerten, da sie in einem zerstörungsfreien Messverfahren direkten Zugriff auf die Lokalisierungseigenschaften erlaubt.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6366
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5916
Exam Date: 24-Jan-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 24-May-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik
Subject(s): LED
nitrides
Auger
green gap
recombination coefficients
excited states
localization
Nitride
Rekombinationskoeffizienten
angeregte Zustände
Lokalisierung
Sponsor/Funder: EC/FP7/318388/EU/Nanostructured Efficient White LEDs/NEWLED
DFG, SFB 787, Halbleiter - Nanophotonik: Materialien, Modelle, Bauelemente
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