Cathodoluminescence characterization of GaN and InGaN/GaN MQWs micro-LEDs for optoelectronic applications

GaN on Si substrate and InGaN/GaN Multiple Quantum Wells (MQWs) micro-LEDs have been investigated by depth-resolved and temperature-dependent Cathodoluminescence (CL). The impact of Threading Dislocations (TDs), limiting factor in the production of high-efficient LEDs with III-N materials, has been studied thanks to the nanometric spatial resolution that the CL characterization allows. The temperature dependence of the CL emission made it possible to differentiate between the Radiative and the Non-Radiative Recombination phenomena in the semiconductor and thus to develop a characterisation protocol for the study of the local Internal Quantum Efficiency (IQE) of devices with respect to their surface. The study in the GaN substrate confirmed that TDs are Non-Radiative Recombination Centres (NRCs) with an activity that depends on the depth from the surface and that originates from two contributions: (1) the strain exercised by TDs on the GaN surface generates a piezoelectric field that separates the electron-hole pairs in the material, thus stimulating their Non-Radiative Recombination up to a depth of about 400 nm from the GaN surface; (2) the increasing accumulation of point defects along TDs as the depth from the surface increases, assists the SRH Non-Radiative Recombination and makes dislocations as line charged defects that separate excitons. On the other hand, the study of InGaN/GaN micro-LEDs revealed a reduction in device efficiency up to about 2 μm from the edge of the LEDs. This border effect takes place in the deep QWs layers of the device and its origin has been attributed to the presence of high concentrations of defects at the edges of the LEDs which are generated during the etching stages of the devices production and which support the SRH recombination up to distances of the order of the micrometre due to the high diffusion length of the charge carriers within the QWs.

Un substrato di GaN su Si e micro-LEDs di InGaN/GaN “Multiple Quantum Wells” (MQWs) sono stati investigati tramite Catodoluminescenza (CL) risolta in profondità e dipendente dalla temperatura. L’impatto delle "Threading Dislocations” (TDs), un fattore limitante nella produzione di LEDs con materiali III-N ad alta efficienza, è stato studiato grazie alla risoluzione spaziale nanometrica che la caratterizzazione CL permette di ottenere. La dipendenza dell’emissione CL dalla temperatura ha reso possibile distinguere tra i fenomeni di Ricombinazione Radiativa e quelli di Ricombinazione Non Radiativa nel semiconduttore e di sviluppare così un protocollo di caratterizzazione per lo studio della “Internal Quantum Efficiency” (IQE) locale rispetto alla superficie dei dispositivi. Lo studio sul substrato di GaN ha confermato che le TDs sono Centri Ricombinazione Non Radiativa (NRCs) con un’attività che dipende dalla profondità rispetto alla superficie e che è originata da due contributi: (1) lo strain esercitato dalle TDs sulla superficie del GaN genera un campo piezoelettrico che separa le coppie elettrone-lacuna, stimolando cosi la loro Ricombinazione Non Radiativa, fino ad una profondità di circa 400 nm dalla superficie; (2) il crescente accumulo di difetti puntuali lungo le TDs all’aumentare della profondità assiste la Ricombinazione Non Radiativa SRH e rende le dislocazioni come difetti lineari carichi che separano gli eccitoni. Lo studio dei micro-LEDs di InGaN/GaN ha invece rilevato una riduzione dell’efficienza dei dispositivi fino a circa 2 μm dal bordo dei LEDs. Questo effetto di bordo ha luogo negli strati delle QWs e la sua origine è stata attribuita alla presenza di alte concentrazioni di difetti sui bordi dei micro-LEDs, i quali sono generati durante le fasi di “etching” dei dispositivi e supportano la ricombinazione SRH fino a distanze dell’ordine del micrometro per via dell’elevata lunghezza di diffusione dei portatori di carica all’interno delle QWs.