Diffusion injected light emitting diode

Thumbnail Image

Files

isbn9789526065823.pdf (2.35 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-12-18
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2015

Department

Mikro- ja nanotekniikan laitos
Department of Micro and Nanosciences

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

76 + app. 45

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 213/2015

Abstract

Lighting plays a major role in consumption of electrical energy in the world. Thus, increasing the efficiency of light sources is one key element in reducing the green house gas emissions. Light emitting diodes (LEDs) are gaining a foothold in general lighting. Despite their rapid development in light output and their superior efficiency compared to other light sources, LEDs still need improvements in order to become the ultimate lighting technology. A typical LED is a double heterojunction (DHJ) structure, in which the active region fabricated from a lower band gap material is sandwiched between higher band gap p- and n-doped regions. By biasing such a structure electrons and holes are transferred by current into the active region, where they recombine releasing energy as photons. The carrier injection in a conventional LED structure is typically efficient. However, in more exotic novel structures based on nanowires or near surface nanostructures, fabricating a DHJ becomes difficult. This thesis presents the experimental studies on a novel current injection method for light emitting applications. The method is based on bipolar diffusion of charge carriers. Unlike in the conventional method, the active region does not have to placed between the p- and n-layers of the pn-junction. The diffusion injection method is experimentally demonstrated by two types of prototype structures. The first prototype was fabricated using a multi quantum well (MQW) stack buried under the pn-junction. The second prototype was fabricated using a near surface quantum well (QW) placed on top of the pn-junction. The first prototype showed that the diffusion current components can be used to excite an active region outside of the pn-junction. The second prototype showed a large improvement in injection efficiency as well as the suitability of the method for exciting surface structures. The applications of diffusion injection can be found in blue galliun nitride based LEDs studied in this thesis as well as in green solid-state light sources, light sources integrated into silicon technology and devices based on nanostructures and plasmonics.

Valaistus kuluttaa merkittävän osan sähköenergiasta maailmanlaajuisesti. Valaistuksen hyötysuhteen parantaminen on siis yksi merkittävimmistä menetelmistä vähentää kasvihuonepäästöjä. Vaikka loistediodien (LEDs, engl. light emitting diodes) nopea kehitys ja niiden ylivoimainen hyötysuhde kilpaileviin teknologioihin on antanut LED:eille jalansijaa myös yleisvalaistuksessa, LED-teknologia tarvitsee vielä tutkimusta, jotta ne voisivat täydellisesti korvata vaihtoehtoiset teknologiat. Perinteinen LED perustuu kaksoisheteroliitokseen (DHJ, engl. double heterojunction), jossa aktiivinen alue on valmistettu p- ja n-tyyppiseksi seostettujen alueiden väliin. Kytkemällä jännite rakenteen yli elektronit ja aukot liikkuvat sähkökentän mukaisesti ajautumisvirtana seostetutuista alueista kohti aktiivista aluetta, jossa ne rekombinoituvat vapauttaen energiaa fotoneina. Varaustenkuljettajien syöttö on perinteisessä LED-rakenteessa tyypillisesti erittäin hyvä. Haasteita ilmenee uusissa, eksoottisissa LED-rakenteissa, jotka perustuvat lähellä pintaa oleviin nanorakenteisiin. Näissä tapauksissa DHJ:n valmistaminen on hankalaa ja varaustenkuljettajien syöttö on usein heikkoa. Tämä väitöskirja esittelee kokeellisia tutkimuksia uudesta diffuusioon perustuvasta LED-rakenteiden viritysmenetelmästä. Menetelmässä aktiivisen alueen ei tarvitse olla seostettujen alueiden välissä. Kokeelliset todisteet menetelmän toimivuudesta näytetään kahdella eri tyyppisellä prototyyppirakenteella. Ensimmäinen prototyyppi on pn-liitoksen alle haudattu monikvanttikaivorakenne. Toisessa prototyypissä yksittäinen kvanttikaivo on pn-liitoksen päällä. Ensimmäinen koerakenne osoitti, että pn-liitoksen ulkopuolelle valmistetun aktiivisen alueen viritys onnistuu. Toisella rakenteella havaittiin merkittävä hyötysuhteen parannus. Se myös osoitti, että pinnassa sijaitseva rakenne voidaan virittää sen alla olevalla pn-liitoksella. Mahdollisia sovelluksia menetelmälle löytyy jo mainittujen sovellusten lisäksi vihreiden puolijohdevalolähteiden valmituksessa sekä pii-teknologiaan integroitavissa valolähteissä.

Description

Supervising professor

Sopanen, Markku, Prof., Aalto University, Department of Micro and Nanosciences, Finland

Thesis advisor

Suihkonen, Sami, Dr., Aalto University, Department of Micro and Nanosciences, Finland

Keywords

gallium nitride, III-nitrides, LED, diffusion, galliunnitridi, III-nitridit, diffuusio

Other note

Parts

  • [Publication 1]: L. Riuttanen, P. Kivisaari, N. Mäntyoja, J. Oksanen, M. Ali, S. Suihkonen, and M. Sopanen. Recombination lifetime in InGaN/GaN based light emitting diodes at low current densities by differential carrier lifetime analysis. Physica Status Solidi C, 10, 327-331, January 2013.
    DOI: 10.1002/pssc.201200670 View at publisher
  • [Publication 2]: P. Kivisaari, L. Riuttanen, J. Oksanen, S. Suihkonen, M. Ali, H. Lipsanen and J. Tulkki. Electrical measurement of internal quantum efficiency and extraction efficiency of III-N light-emitting diodes. Applied Physics Letters, 101, 021113, July 2012.
    DOI: 10.1063/1.4736565 View at publisher
  • [Publication 3]: L. Riuttanen, P. Kivisaari, H. Nykänen, O. Svensk, S. Suihkonen, J. Oksanen, J. Tulkki, and M. Sopanen. Diffusion injected multi-quantum well light-emitting diode structure. Applied Physics Letters, 104, 0811002, February 2014.
    DOI: 10.1063/1.4866343 View at publisher
  • [Publication 4]: L. Riuttanen, P. Kivisaari, O. Svensk, J. Oksanen and S. Suihkonen. Diffusion Injection in a Buried MultiquantumWell Light-Emitting Diode Structure. IEEE Transactions on Electron Devices, 62, 902-908, March 2015.
    DOI: 10.1109/TED.2015.2391117 View at publisher
  • [Publication 5]: L. Riuttanen, P. Kivisaari, O. Svensk, T. Vasara, P. Myllys, J. Oksanen and S. Suihkonen. Vertical excitation profile in diffusion injected multiquantum well light emitting diode structure. Proc. SPIE, 9363, 93632A, March 2015.
    DOI: 10.1117/12.2077549 View at publisher
  • [Publication 6]: L. Riuttanen, P. Kivisaari, O. Svensk, J. Oksanen and S. Suihkonen. Electrical injection to contactless near-surface InGaN quantum well. Applied Physics Letters, 107, 051106, August 2015.
    DOI: 10.1063/1.4928248 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-6582-3

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC