Design and simulation to improve the structural efficiency of green light emission of GaN/InGaN/AlGaN light emitting diode

Abstract

This study considered the design of an efficient, high brightness polar InGaN/GaN light emitting diode (LED) structure with AlGaN capping layer for green light emission. The deposition of high In (>15%) composition within InGaN quantum well (QW) has limitations when providing intense green light. To design an effective model for a highly efficient InGaN green LEDs, this study considered the compositions of indium and aluminum for In_xGa_1−xN QW and Al_yGa_1−yN cap layers, along with different layer thicknesses of well, barrier and cap. These structural properties significantly affect different properties. For example, these properties affect electric fields of layers, polarization, overall elastic stress energy and lattice parameter of the structure, emission wavelength, and intensity of the emitted light. Three models with different composition and layer thicknesses are simulated and analyzed to obtain green light with in-plane equilibrium lattice parameter close to GaN (3.189 Å ) with the highest oscillator strength values. A structure model is obtained with an oscillator strength value of 1.18×10⁻¹ and least in-plane equilibrium lattice constant of 3.218 Å. This emitter can emit at a wavelength of 540 nm, which is the expected design for the fabrication of highly efficient, bright green LEDs.

Keywords

green light emitting diode (LED) / lattice parameter / oscillator strength / InGaN quantum well (QW) / AlGaN capping layer

References

[1] Nakamura S, Fasol  G. The Blue Laser Diode. Berlin: Springer, 1997

[2] Krames M R, Shchekin  O B, Mueller-Mach  R, Mueller G O ,  Zhou L, Harbers  G, Craford M G . Status and future of high-power light-emitting diodes for solid-statelighting. Journal of Display Technology, 2007, 3(2): 160–175

[3] Narukawa Y, Ichikawa  M, Sanga D ,  Sano M, Mukai  T. White light emitting diodes with super-high luminous efficacy. Journal of Physics D, Applied Physics, 2010, 43(35): 354002

[4] Crawford M H. LEDs for solid-state lighting: performance challengesand recent advances. IEEE Journal of SelectedTopics in Quantum Electronics, 2009, 15(4): 1028–1040

[5] Langer T, Kruse  A, Ketzer FA ,  Schwiegel A ,  Hoffmann L ,  Jönen H ,  Bremers H ,  Rossow U ,  Hangleiter A . Origin of the “green gap”: increasing nonradiativerecombination in indium-rich GaInN/GaN quantum well structures. Physica Status Solidi (C), 2011, 8(7−8): 2170–2172 

[6] Zhu M, You  S, Detchprohm T ,  Paskova T ,  Preble E A ,  Wetzel C . Various misfit dislocations in greenand yellow GaInN/GaN light emitting diodes. Physica Status Solidi (A), 2010, 207(6): 1305–1308

[7] Tessarek C, Figge  S, Aschenbrenner T ,  Bley S, Rosenauer  A, Seyfried M ,  Kalden J ,  Sebald K ,  Gutowski J ,  Hommel D . Strong phase separation of strained In_xGa_1−xN layers due to spinodal and binodal decomposition: Formation ofstable quantum dots. Physical Review B:Condensed Matter and Materials Physics, 2011, 83(11): 115316

[8] Qi Y D, Liang  H, Wang D ,  Lu Z D ,  Tang W, Lau  K M. Comparison of blue and green InGaN/GaN multiple-quantum-welllight-emitting diodes grown by metalorganic vapor phase epitaxy. Applied Physics Letters, 2005, 86(10): 101903

[9] Na J H, Taylor  R A, Lee  K H, Wang  T, Tahraoui A ,  Parbrook P ,  Fox A M ,  Yi S N ,  Park Y S ,  Choi J W ,  Lee J S . Dependence of carrier localization in InGaN/GaN multiple-quantumwells on well thickness. Applied Physics Letters, 2006, 89(25): 253120

[10] Sato H, Tyagi  A, Zhong H ,  Fellows N ,  Chung R B ,  Saito M ,  Fujito K ,  Speck J S ,  DenBaars S P ,  Nakamura S . High power and high efficiencygreen light emitting diode on free-standing semipolar (112) bulk GaN substrate.  Physica Status Solidi (RRL) – Rapid Research Letters, 2007, 1(4): 162–164

[11] Schwarz U T, Kneissl  M. Nitride emitters go nonpolar.  Physica Status Solidi (RRL) – Rapid Research Letters, 2007, 1(3): A44–A46

[12] El-Masry N A, Piner  E L, Liu  S X, Bedair  S M. Phase separation in InGaN grown by metalorganic chemical vapor deposition. Applied Physics Letters, 1998, 72(1): 40–42

[13] Pristovsek M, Kadir  A, Meissner C ,  Schwaner T ,  Leyer M ,  Kneissl M . Surface transition induced island formation on thin strainedInGaN layers on GaN (0001) in metal-organic vapour phase epitaxy. Journal of Applied Physics, 2011, 110(7): 073527

[14] Adachi M. InGaN based green laser diodes on semipolar GaN substrate. Japanese Journal of Applied Physics, 2014, 53(10): 100207

[15] Koslow I L, Hardy  M T, Shan Hsu  P, Dang P Y ,  Wu F, Romanov  A, Wu Y R ,  Young E C ,  Nakamura S ,  Speck J S ,  DenBaars S P . Performance and polarization effects in (112) long wavelength light emitting diodes grown on stressrelaxed InGaN buffer layers. Applied Physics Letters, 2012, 101(12): 121106

[16] Strauß U, Avramescu  A, Lermer T ,  Queren D ,  Gomez-Iglesias A ,  Eichler C ,  Müller J ,  Brüderl G ,  Lutgen S . Pros and cons of green InGaNlaser on c-plane GaN. Physica Status Solidi (B), 2011, 248(3): 652–657

[17] Arif R A, Ee  Y K, Tansu  N. Polarization engineering via staggered InGaN quantum wells for radiative efficiency enhancement of lightemitting diodes. Applied Physics Letters, 2007, 91(9): 091110

[18] Zhao H, Tansu  N. Optical gain characteristics of staggered InGaN quantum wells lasers. Journal of Applied Physics, 2010, 107(11): 113110

[19] Han S H, Cho  C Y, Lee  S J, Park  T Y, Kim  T H, Park  S H, Won Kang  S, Won Kim J ,  Kim Y C ,  Park S J . Effect of Mg doping in the barrier of InGaN/GaN multiple quantum well on opticalpower of light-emitting diodes. Applied Physics Letters, 2010, 96(5):  051113

[20] Shioda T, Yoshida  H, Tachibana K ,  Sugiyama N ,  Nunoue S . Enhanced lightoutput power of green LEDs employing AlGaN interlayer in InGaN/GaNMQW structure on sapphire (0001) substrate. Physica Status Solidi (A), 2012, 209(3): 473–476

[21] Lefebvre P, Taliercio  T, Morel A ,  Allègre J ,  Gallart M ,  Gil B, Mathieu  H, Damilano B ,  Grandjean N ,  Massies J . Effects of GaAlN barriers and of dimensionality on opticalrecombination processes in InGaN quantum wells and quantum boxes. Applied Physics Letters, 2001, 78(11): 1538–1540

[22] Lu H M, Chen  G X. Design strategies for mitigating the influence of polarization effects on GaN-basedmultiple quantum well light-emitting diodes. Journal of Applied Physics, 2011, 109(9): 093102

[23] Zhao H, Arif  R A, Ee  Y K, Tansu  N. Self-consistent analysis of strain-compensated InGaN-AlGaN quantumwells for lasers and light-emitting diodes. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2009, 45(1): 66–78

[24] Tsai C L, Fan  G C, Lee  Y S. Effects of strain-compensated AlGaN/InGaNsuperlattice barriers on the optical properties of InGaN light-emittingdiodes. Applied Physics A, Materials Science& Processing, 2011, 104(1): 319–323

[25] Koleske D D, Fischer  A J, Bryant  B N, Kotula  P G, Wierer  J J. On the increased efficiency in InGaN-based multiple quantum wells emitting at 530–590nm with AlGaN interlayers. Journal of Crystal Growth, 2015, 415: 57–64

[26] Saito S, Hashimoto  R, Hwang J ,  Nunoue S . InGaN light-emitting diodes on c-face sapphire substratesin green gap spectral range. Applied Physics Express, 2013, 6(11): 111004

[27] Hwang J I, Hashimoto  R, Saito S ,  Nunoue S . Development of InGaN-based red LED grown on (0001) polarsurface. Applied Physics Express, 2014, 7(7): 071003

[28] Doi T, Honda  Y, Yamaguchi M ,  Amano H . Strain-compensated effect on the growth of InGaN/AlGaN multi-quantumwell by metalorganic vapor phase epitaxy. Japanese Journal of Applied Physics, 2013, 52(8S): 08JB14

[29] Damilano B, Kim-Chauveau  H, Frayssinet E ,  Brault J ,  Hussain S ,  Lekhal K ,  Vennéguès P ,  Mierry P D ,  Massies J . Metal organic vapor phase epitaxy of monolithic two-color light-emittingdiodes using an InGaN-based light converter. Applied Physics Express, 2013, 6(9): 092105

[30] Lekhal K, Damilano  B, Ngo H T ,  Rosales D ,  Mierry P D ,  Hussain S ,  Vennéguès P ,  Gil B. Strain-compensated (Ga,In)N/(Al,Ga)N/GaNmultiple quantum wells for improved yellow/amber light emission. Applied Physics Letters, 2015, 106(14): 142101

[31] Damilano B, Gil  B. Yellow–red emission from (Ga,In)N heterostructures. Journal of Physics D, Applied Physics, 2015, 48(40): 403001

[32] Lekhal K, Hussain  S, Mierry P D ,  Vennéguès P ,  Nemoz M ,  Chauveau J M ,  Damilano B . Optimized In compositionand quantum well thickness for yellow-emitting (Ga,In)N/GaN multiplequantum wells. Journal of Crystal Growth, 2016, 434: 25–29

[33] Thränhardt A, Ell  C, Khitrova G ,  Gibbs H M . Relation between dipole moment and radiative lifetimein interface fluctuation quantum dots. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2002, 65(3): 035327

[34] Bretagnon T, Lefebvre  P, Valvin P ,  Bardoux R ,  Guillet T ,  Taliercio T ,  Gil B, Grandjean  N, Semond F ,  Damilano B ,  Dussaigne A ,  Massies J . Radiative lifetime of a singleelectron-hole pair in GaN/ AlN quantum dots. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2006, 73(11): 113304

[35] Narukawa Y, Sano  M, Ichikawa M ,  Minato S ,  Sakamoto T ,  Yamada T ,  Mukai T . Improvement of luminous efficiency in white light emitting diodes by reducinga forward-bias voltage. Japanese Journalof Applied Physics, 2007, 46(40): L963–L965

[36] Meneghini M, Tazzoli  A, Mura G ,  Meneghesso G ,  Zanoni E . A review onthe physical mechanisms that limit the reliability of GaN-based LEDs. IEEE Transactions on Electron Devices, 2010, 57(1): 108–118

[37] Bernardini F, Fiorentini  V, Vanderbilt D . Spontaneous polarizationand piezoelectric constants of III-V nitrides. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 1997, 56(16): R10024–R10027

[38] Bernardini F, Fiorentini  V. First-principles calculation of the piezoelectric tensor d of III–Vnitrides. Applied Physics Letters, 2002, 80(22): 4145–4147

[39] Bernardini F, Fiorentini  V. Polarization fields in nitride nanostructures: 10 points to thinkabout. Applied Surface Science, 2000, 166(1–4): 23–29

[40] Nikolaev V V, Portnoi  M E, Eliashevich  I. Photon recycling white light emitting diode based on InGaN multiple quantum well heterostructure. Physica Status Solidi (A), 2001, 183(1): 177–182

Acknowledgements

The authors thank Dr. Benjamin Damilano andMr. Philippe Vennéguès, Centre de Recherche sur l’H´et´ero-Epitaxieet ses Applications (CRHEA), Centre National de la Recherche Scientifique(CNRS), Valbonne 06560, France for their support.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg