[논문 리뷰] Comment on "Direct Measurement of Auger Electrons Emitted from a Semiconductor Light-Emitting Diode under Electrical Injection: Identification of the Dominant Mechanism for Efficiency Droop" [Phys. Rev. Lett. 110, 177406 (2013)]

Francesco Bertazzi, Michele Goano외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 11.

GaN-based semiconductor devices and materials참고 문헌 25인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 2013년 Phys. Rev. Lett. 논문에서 전자 에너지 분포 측정을 통해 GaN LED에서 Auger 재결합의 직접적인 실험적 증거를 주장한 해석을 도전한다. 일련의 원자적 전자구조와 전체 밴드 몬테카를로(FBMC) 시뮬레이션을 사용하여, 저자들은 전자 스펙트럼에서 관측된 고에너지 피크가 Auger 생성 캐리어가 아니라 p-cap의 밴드 굴절 영역(BBR)에서 강한 전기장에 의해 전자가 가속화됨으로써 더 타당하게 설명된다고 주장한다. 주요 발견은 GaN에서 표준적인 캐리어 릴랙세이션 및 운반 메커니즘에 대한 가정 하에 Auger 서명을 이 실험으로부터 신뢰성 있게 추출할 수 없다는 것이다.

ABSTRACT

In a recent letter [Phys. Rev. Lett. 110, 177406 (2013)], presenting a spectroscopic study of the electrons emitted from the GaN p-cap of a forward-biased InGaN/GaN light-emitting diode (LED), the authors observed at least two distinct peaks in the electron energy distribution curves (EDCs), separated by about 1.5 eV, and concluded that the only viable explanation for the higher-energy peak was Auger recombination in the LED active region. We present full-band Monte Carlo simulations suggesting that the higher-energy peaks in the measured EDCs are probably uncorrelated with the carrier distribution in the active region. This would not imply that Auger recombination, and possibily Auger-induced leakage, play a negligible role in LED droop, but that an Auger signature cannot be recovered from the experiment performed on the LED structure under study. We discuss, as an alternative explanation for the observed EDCs, carrier heating by the electric field in the band-bending region.

연구 동기 및 목표

• GaN LED 연구에서 Auger 재결합의 직접적 증거를 주장하는 전자 에너지 분포 곡선(EDC)의 해석을 비판적으로 평가하는 것.
• 관측된 EDC의 고에너지 피크가 GaN의 도너 밴드의 위성 밸리에 있는 Auger 생성 캐리어에 기인한 것인지 평가하는 것.
• 원본 논문에서 내세운 세 가지 핵심 가정의 타당성을 검토하는 것: 안정적인 위성 밸리 존재, 느린 릴랙세이션, 전기장에 의한 가열 무시 가능.
• p-cap의 밴드 굴절 영역(BBR)에서의 캐리어 가열이 Auger 과정을 도입하지 않고도 이중 피크 EDC를 설명할 수 있는지 조사하는 것.
• 전자 방출 분광법이 GaN LED의 활성 영역에서 캐리어 에너지 분포를 탐사하는 데 가능한지 평가하는 것.

제안 방법

• GaN의 전자구조, 특히 도너 밴드의 위성 밸리 포함를 포함하여, 비국소적 경험이 반영된 허구의 퍼텐셜 방법(NL-EPM)과 DFT-HSE 계산을 사용하여 전자 밴드 구조를 결정하였다.
• 전체 밴드 몬테카를로(FBMC) 시뮬레이션을 사용하여 GaN p-cap를 통과하는 핫 전자 운반을 모델링하고, 장치 전역에서 캐리어 릴랙세이션 및 에너지 분포를 추적하였다.
• 밴드 굴절과 수용체 이온화 효과를 고려하여 실제 전기장 조건에서 p-cap 표면의 전자 에너지 분포를 시뮬레이션하였다.
• 드리프트-확산 시뮬레이터(APSYS)를 사용하여 p-cap의 전기장 프로파일을 모델링하였으며, 불완전한 도핑 이온화 및 세슘 처리된 표면에서의 1 eV 밴드 굴절을 고려했다.
• 모의된 EDC를 실험 데이터와 비교하여 고에너지 피크의 기원과 도너 밴드 밸리와의 상관관계를 집중적으로 분석하였다.
• 원본 논문의 가정에서 간과된 전자-전자 산란 및 열화학적 평형화가 전자 차단층(EBL)에서 수행하는 역할을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaN LED의 전자 에너지 분포 곡선(EDC)에서 관측된 고에너지 피크는 도너 밴드의 위성 밸리에서 생성된 Auger 캐리어에 기인할 수 있는가?
• RQ2 실제 전기장과 도핑 조건 하에서 GaN에서 L 밸리에서 Γ 밸리로 핫 전자가 얼마나 빨리 릴랙세이션되는가?
• RQ3 p-cap의 밴드 굴절 영역(BBR)에서 강한 전기장에 의해 전자가 가속화되는 것이 EDC의 고에너지 피크에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 원본 논문에서 내세운 세 가지 핵심 가정—안정적인 위성 밸리 존재, 느린 릴랙세이션, 전기장에 의한 가열 무시 가능—은 조사된 GaN LED 구조에서 물리적으로 타당한가?
• RQ5 전자 방출 분광법은 GaN LED의 활성 영역에서 캐리어 에너지 분포를 신뢰성 있게 탐지할 수 있는가, 아니면 표면 전기장 효과에 의해 왜곡되는가?

주요 결과

• NL-EPM 밴드 구조 계산은 L–M 방향에서 Γ 밸리 최소값보다 2.25 eV 높은 곳에 도너 밴드 위성 밸리가 존재함을 확인하여, 잠재적 Auger 원천의 존재를 지지한다.
• FBMC 시뮬레이션은 p-cap 내에서 전자가 L 밸리에서 Γ 밸리로 10 nm 이내에 릴랙세이션됨을 보여주며, 이는 위성 밸리에서 측정 가능한 농도를 유지하기에는 너무 빠른 릴랙세이션 시간 상수임을 시사한다.
• p-cap 표면에서의 모의 EDC는 총 밴드 굴절(1 eV)에 해당하는 운동 에너지에 단일 피크를 나타내며, 이는 관측된 고에너지 피크와 일치하지만, 이 피크는 위성 밸리 캐리어가 아니라 Γ 밸리의 전기장에 의해 가속화된 전자에서 기인한다.
• EDC에서 고에너지 특징의 피크 에너지는 위성 밸리 에너지와 무관하여, Auger 과정과의 직접적인 상관관계가 없음을 시사한다.
• BBR에서 전기장에 의한 캐리어 가열(최대 약 6 MV/cm)은 EDC에서 고에너지 전자 피크를 생성할 수 있으며, 이는 Auger 재결합에 대한 타당한 대안 해석을 제공한다.
• 현재 분석 결과에 따르면 원본 논문에서 Auger 재결합이 주요 드롭 메커니즘으로 명백하게 규명되었다는 주장은 지지되지 않으며, 실험적 서명은 Auger 캐리어 생성보다는 주로 전기장에 의한 전자 가속에 의해 지배된다는 것이 밝혀졌다.