Optical spectroscopy studies of III-nitrides heterostructures modified using ion beams for green and red solid-state emitters

Abstract

Group III-nitrides (III-N) are among the most technologically valuable semiconductors in optoelectronics and electronics, with blue light-emitting diodes (LEDs) being their most outstanding application. Indeed, by controlling the composition of ternary AlGaN and InGaN alloys in the active region of the LEDs, it is possible to tune their emission color from ultraviolet to near-infrared. The realization of efficient III-N-based LEDs operating in the red, green, and blue (RGB) is essential for the monolithic (or quasi-monolithic) integration of RGB emitters, which is expected to enable the development of more efficient white LEDs and full-color displays at micro- and nano-scale. However, in contrast to the highly efficient blue LEDs based on InGaN/GaN multi-quantum well (MQW) with external quantum efficiency (EQE) of ~80–90 %, the need for high InN molar fractions causes the green and red LEDs to have much lower EQE (~60 % and ~10 %, respectively). In this thesis, two approaches involving the modification of the optical properties of III-N by ion irradiation techniques were investigated using optical spectroscopy techniques. The goal was to evaluate their viability for potential application as red and green LEDs. The first approach involved the implantation of AlGaN nanowires (NWs) with Eu3+, aiming to take advantage of their intense and atomic-like emission (intra-4f 6 transitions) to obtain red LEDs with improved efficiency and good color purity. The presented study evaluated which AlN molar fraction in AlGaN NWs’ host leads to a more intense and efficient Eu3+-related luminescence. From optical spectroscopy studies, it was identified that AlN NWs result in the strongest and most efficient red luminescence after post-implantation rapid thermal annealing (RTA) treatments. Compared to RTA at 1000 ºC, RTA at 1200 ºC improves the luminescence performance of these NW systems. Considering these results, AlN p-n junction NWs were implanted with Eu3+, with proof-ofconcept red LEDs being demonstrated. Although far from optimization, this result highlights the potential of this approach for obtaining red micro- and nanoemitters. The second approach studied in this thesis consisted of irradiating InGaN/GaN MQWs with 129Xe swift-heavy ions (SHIs) with different beam energies, aiming to achieve quantum-well intermixing (QWI) for the realization of more efficient green LEDs. The results suggested that QWI occurs for irradiation energies higher than 74 MeV. However, at the same time, the irradiation generates superficial defects detrimental to the emission of the InGaN MQWs. This compromises the technological implementation of such a strategy. In summary, the first approach shows potential for future application as red LEDs. In contrast, the second one is not viable for realizing more efficient green LEDs.

Os nitretos do grupo III (III-N) encontram-se atualmente entre os semiconductores mais importantes nas áreas da optoeletrónica e electrónica. De entre as várias aplicações que estes apresentam sobressai a utilização em díodos emissores de luz (LEDs) azul. Através do controlo da composição das ligas de AlGaN e InGaN na região ativa dos LEDs, é possível sintonizar a cor da emissão desde o ultravioleta até ao infravermelho próximo. A realização de LEDs vermelhos, verdes e azuis (RGB) eficientes baseados em III-N é essencial para a integração monolítica (ou quasi-monolítica) de emissores RGB, o que deverá permitir a realização de LEDs brancos mais eficientes e uma integração mais facilitada de displays multi-cor à micro e à nanoescala. No entanto, a eficiência quântica externa (EQE) dos LEDs vermelhos (~10 %) e verdes (~60 %) é muito inferior à EQE dos LEDs azuis (~80-90 %), resultado da utilização de ligas de InGaN com frações molares de InN altas (>20 %). Nesta tese, foram utilizadas duas estratégias de modificação de estruturas III-N por irradiação iónica e estudadas as suas propriedades óticas e estruturais. O objetivo era avaliar a viabilidade destas estratégias para a obtenção futura de LEDs vermelhos e verdes mais eficientes. A primeira abordagem consistiu na implantação de nanofios (NWs) de AlGaN com Eu3+, procurando tirar partido da luminescência intensa e de reduzida largura de banda das transições intra-4f 6 para obter LEDs vermelhos mais eficientes. Este estudo pretendeu avaliar que fração molar de AlN, em nanofios de (NWs) AlGaN, dá origem a uma luminescência do Eu3+ mais intensa e eficiente. A partir de estudos de espetroscopia ótica, identificou-se que é na matriz de AlN NWs que essa luminescência é mais intensa e eficaz após o recozimento térmico rápido (RTA). Comparativamente ao RTA realizado a 1000 ºC, o RTA a 1200 ºC permite melhorar o desempenho da emissão vermelha destes sistemas. Partindo destes resultados, foram implantados com Eu3+ NWs de AlN, com junções p-n axiais, ficando demonstrada a prova de conceito de LEDs vermelhos. Embora longe da otimização, estes resultados evidenciam o potencial desta abordagem para a obtenção de emissores vermelhos à micro e à nanoescala. A segunda abordagem estudada consistiu na irradiação de múltiplos poços de potencial (MQWs) InGaN/GaN com iões pesados de alta energia (SHIs) de 129Xe com diferentes energias de feixe, com o objetivo de obter uma mistura composicional nos poços (QWI) e melhorar a eficiência dos LEDs verdes. Os resultados sugerem a ocorrência de QWI para energias de irradiação superiores a 74 MeV. No entanto, esta leva à formação de defeitos superficiais prejudiciais à emissão dos MQWs. Em resumo, a primeira abordagem mostra potencial para a realização de LEDs vermelhos mais eficientes, enquanto a segunda não é viável tecnologicamente.