Laterally doped III-V diodes for large-area optoelectronics
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
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
2018-05-08
Department
Major/Subject
Functional Materials
Mcode
CHEM3025
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
76 + 9
Series
Abstract
Conventional light-emitting diode (LED) designs experience current crowding and efficiency droop that limit their use in high-power applications. These problems could be solved with a recently proposed diffusion-driven current transport (DDCT) concept, that utilizes electron and hole diffusion currents as an injection method. So far, DDCT devices with lateral heterojunctions (LHJ) have been realized with selective-area growth (SAG) and ion implantation of GaN. However, these methods are quite challenging, complicated and expensive. Selective diffusion doping studied in this work could provide a simpler and more cost-effective fabrication technique for realizing lateral DDCT devices based on conventional III-V compound semiconductors. This thesis investigated the performance of laterally doped GaAs/AlGaAs double heterojunction (DHJ) LEDs by simulations, and the selective-area diffusion doping methods needed to realize such devices in practice. First simulations of the LEDs studied the fundamental properties, requirements and limitations of the devices. Diffusion doping of n-type GaAs and GaAs/AlGaAs DHJ substrates from a Zn thin film dopant source, protected by a spin-on glass (SOG) film, was experimentally studied. Additionally, the viability of the developed doping method for realizing the DDCT devices was evaluated. The simulations indicated that high-efficiency LEDs with an internal quantum efficiency of over 99.4 %, with highly uniform radiative recombination within the active region of the LED, can be achieved with high quality materials. Fabricated samples were characterized with current-voltage (IV) and light emission measurements, and visually inspected with a scanning electron microscope (SEM) and an optical profilometer. Vertical LEDs were successfully fabricated on both substrates, although some indications of substrate degradation was observed in the IV-characteristics of the devices.Perinteiset hohtodiodirakenteet ovat alttiita virran ahtautumiselle sekä hyöty suhteen heikkenemiselle, mikä rajoittaa niiden käyttöä suurta tehoa vaativissa sovelluksissa. Mahdollisena ratkaisuna ongelmaan on hiljattain ehdotettu uutta virransyöttömenetelmää (DDCT engl. diffusion-driven current transport), joka käyttää elektronien ja aukkojen diffuusiovirtoja LEDin injektointimenetelmänä. Tähän mennessä DDCT:tä hyödyntävien lateraalisten GaN rakenteiden valmistamiseen on sovellettu selektiivistä epitaksiaa (SAG engl. selective-area growth) sekä ioni-istutusta. Nämä valmistustekniikat ovat kuitenkin hyvin haastavia, monimutkaisia ja kalliita. Diffuusioseostusmenetelmät voisivat tarjota yksinkertaisen ja kustannustehokkaan tekniikan DDCT laitteiden valmistamiseksi perinteisistä III-V yhdistepuolijohteista. Tässä diplomityössä tutkitaan simulaatioiden avulla lateraalisesti seostettujen GaAs/AlGaAs tuplaheteroliitos-LEDien suorituskykyä, sekä kokeellisesti selektiivisiä diffuusioseostusmenetelmiä, joilla simuloitujen laitteiden valmistaminen voisi olla mahdollista. Simulaatiot DDCT rakenteista selvittävät niiden perusominaisuuksia, vaatimuksia sekä rajoituksia. Kokeelliset tutkimukset keskittyvät n-tyyppisten GaAs ja GaAs/AlGaAs substraattien diffuusioseostamiseen sinkkiohutkalvoista, jotka suojattiin spin-on glass (SOG) kalvolla. Lisäksi arvioitiin seostusmenetelmien mahdollista käyttöä DDCT laitteiden valmistukseen. Valmistetut näytteet karakterisoitiin virta-jännite- sekä valoemissio-mittauksilla, pyyhkäisyelektronimikroskoopilla sekä optisella korkeuskarkeusmittarilla. Vertikaalisia LEDejä valmistettiin onnistuneesti molemmille substraateille, mutta joitakin merkkejä substraatin laadun heikkenemisestä havaittiin esimerkiksi IV-mittauksissa. Simulaatiot osoittivat että rakennetta käyttäen voidaan toteuttaa LEDejä, joiden sisäinen kvanttihyötysuhde on yli 99.4 %, ja joiden säteilevän rekombinaation homogeenisuus aktiivisessa alueessa on korkea.Description
Supervisor
Franssila, SamiThesis advisor
Oksanen, JaniKeywords
diffusion, doping, LED, simulation, DDCT