Please wait a minute...
Shopping Cart Email List Chinese
Advanced Search Fig/Tab
Frontiers of Optoelectronics

ISSN 2095-2759

ISSN 2095-2767(Online)

CN 10-1029/TN

Postal Subscription Code 80-976

Featured Articles  |  Most Downloaded  |  Most Reading
Online Submission Subscribe to Our RSS Content Feed
Front. Optoelectron.    2017, Vol. 10 Issue (4) : 370-377    https://doi.org/10.1007/s12200-017-0705-9
RESEARCH ARTICLE
Design and simulation to improve the structural efficiency of green light emission of GaN/InGaN/AlGaN light emitting diode
Sakhawat HUSSAIN(), Tasnim ZERIN, Md. Ashik KHAN
Department of Electrical and Electronic Engineering, University of Dhaka, Dhaka-1000, Bangladesh
 Download: PDF(196 KB)   HTML
 Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks
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 InxGa1−xN QW and AlyGa1−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     
Corresponding Author(s): Sakhawat HUSSAIN   
Just Accepted Date: 30 June 2017   Online First Date: 09 August 2017    Issue Date: 21 December 2017
 Cite this article:   
Sakhawat HUSSAIN,Tasnim ZERIN,Md. Ashik KHAN. Design and simulation to improve the structural efficiency of green light emission of GaN/InGaN/AlGaN light emitting diode[J]. Front. Optoelectron., 2017, 10(4): 370-377.
 URL:  
https://academic.hep.com.cn/foe/EN/10.1007/s12200-017-0705-9
https://academic.hep.com.cn/foe/EN/Y2017/V10/I4/370
Fig.1  Calculated wavelength asa function of In composition and QW thickness for InGaN/GaN system
Fig.2  Schematic diagram of thesimulated structure
barrier length, Lb/nm In composition (x)/% InxGa1−xN QW thickness, LW/nm Al composition (y)/% cap layer (AlyGa1−yN) thickness, LC/nm
Model 1 12 25 2.2 50 1.2
Model 2 12 18 3.5 50 1.5
Model 3 12 35 1.5 50 1.0
Tab.1  Initial structuralparameters of the models for green light emission
type barrier length, Lb/nm In composition (x)/% QW thickness, LW/nm Al composition (y)/% cap layer (AlyGa1−yN) thickness, LC/nm
Model 1 12 25 2.2 variable 1.2
Tab.2  Structural parametersfor Model 1 as in Step 1 of the simulation process
Fig.3  Energy band diagram of Model1, wherein the structural parameters are taken from Table 1. The redlines show the valance band (VB) and conduction band (CB) and thegreen line is the electron wave function of the GaN/In25Ga75N/Al50Ga50N/GaN structure
Al composition(y)/% in-plane equilibrium lattice parameter, a eq/Å oscillator strength, F wavelength/nm
50 3.226 1.54×10−1 527
60 3.222 1.53×10−1 528
70 3.219 1.49×10−1 529
78 3.216 1.46×10−1 530
Tab.3  Variation of in-planeequilibrium lattice parameter, oscillator strength, and emission wavelengthas a function of Al composition
In composition(x)/% in-plane equilibrium lattice parameter, a eq/Å oscillator strength, F wavelength/nm
23 3.215 1.67×10−1 509
24 3.217 1.58×10−1 519
25 3.219 1.49×10−1 529
26 3.221 1.41×10−1 539
27 3.223 1.34×10−1 550
28 3.225 1.27×10−1 561
Tab.4  Variation of in-planeequilibrium lattice parameter, oscillator strength and emission wavelengthas a function of In composition
QW thickness, LW/nm in-plane equilibrium lattice parameter, a eq/Å oscillator strength, F wavelength/nm
2 3.216 2.19×10−1 511
2.1 3.217 1.82×10−1 520
2.2 3.219 1.49×10−1 529
2.3 3.220 1.21×10−1 539
2.35 3.221 8.35×10−2 548
Tab.5  Variation of in-planeequilibrium lattice parameter, oscillator strength and emission wavelengthas a function of QW thickness
cap layer thickness, LC/nm in-plane equilibrium lattice parameter, a eq/Å oscillator strength, F wavelength/nm
1.2 3.220 1.21×10−1 539
1.3 3.218 1.18×10−1 540
1.4 3.215 1.14×10−1 541
Tab.6  Variation of in-planeequilibrium lattice parameter, oscillator strength and emission wavelengthas a function of AlGaN cap layer thickness
type barrier length, Lb/nm In composition (x)/% QW thickness, LW/nm Al composition (y)/% cap layer (AlyGa1−yN) thickness, LC/nm emission wavelength, λ/nm oscillator strength, F in-plane equilibrium lattice parameter, a eq/Å
Model 1 12 25 2.3 70 1.3 540 1.18×10−1 3.218
Model 2 12 18 3.6 40 1.8 542 1.05×10−2 3.217
Model 3 12 35 1.6 67 1.2 548 3.18×10−1 3.224
Tab.7  Summary of thethree models
33 Thränhardt A, Ell  C, Khitrova G ,  Gibbs H M . Relation between dipole moment and radiative lifetime in interface fluctuation quantum dots. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2002, 65(3): 035327
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.035327
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 single electron-hole pair in GaN/ AlN quantum dots. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2006, 73(11): 113304
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.113304
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 reducing a forward-bias voltage. Japanese Journal of Applied Physics, 2007, 46(40): L963–L965
https://doi.org/10.1143/JJAP.46.L963
36 Meneghini M, Tazzoli  A, Mura G ,  Meneghesso G ,  Zanoni E . A review on the physical mechanisms that limit the reliability of GaN-based LEDs. IEEE Transactions on Electron Devices, 2010, 57(1): 108–118
https://doi.org/10.1109/TED.2009.2033649
37 Bernardini F, Fiorentini  V, Vanderbilt D . Spontaneous polarization and piezoelectric constants of III-V nitrides. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 1997, 56(16): R10024–R10027
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.56.R10024
38 Bernardini F, Fiorentini  V. First-principles calculation of the piezoelectric tensor d of III–V nitrides. Applied Physics Letters, 2002, 80(22): 4145–4147
https://doi.org/10.1063/1.1482796
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-state lighting. Journal of Display Technology, 2007, 3(2): 160–175
https://doi.org/10.1109/JDT.2007.895339
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
https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/35/354002
4 Crawford M H. LEDs for solid-state lighting: performance challenges and recent advances. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2009, 15(4): 1028–1040
https://doi.org/10.1109/JSTQE.2009.2013476
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 nonradiative recombination in indium-rich GaInN/GaN quantum well structures. Physica Status Solidi (C), 2011, 8(7−8): 2170–2172 
https://doi.org/10.1002/pssc.201001051
6 Zhu M, You  S, Detchprohm T ,  Paskova T ,  Preble E A ,  Wetzel C . Various misfit dislocations in green and 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 InxGa1−xN layers due to spinodal and binodal decomposition: Formation of stable quantum dots. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2011, 83(11): 115316
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.115316
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-well light-emitting diodes grown by metalorganic vapor phase epitaxy. Applied Physics Letters, 2005, 86(10): 101903
https://doi.org/10.1063/1.1866634
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-quantum wells on well thickness. Applied Physics Letters, 2006, 89(25): 253120
https://doi.org/10.1063/1.2423232
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 efficiency green 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
https://doi.org/10.1063/1.120639
13 Pristovsek M, Kadir  A, Meissner C ,  Schwaner T ,  Leyer M ,  Kneissl M . Surface transition induced island formation on thin strained InGaN layers on GaN (0001) in metal-organic vapour phase epitaxy. Journal of Applied Physics, 2011, 110(7): 073527
https://doi.org/10.1063/1.3647782
14 Adachi M. InGaN based green laser diodes on semipolar GaN substrate. Japanese Journal of Applied Physics, 2014, 53(10): 100207
https://doi.org/10.7567/JJAP.53.100207
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 stress relaxed InGaN buffer layers. Applied Physics Letters, 2012, 101(12): 121106
https://doi.org/10.1063/1.4753949
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 InGaN laser 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 light emitting diodes. Applied Physics Letters, 2007, 91(9): 091110
https://doi.org/10.1063/1.2775334
18 Zhao H, Tansu  N. Optical gain characteristics of staggered InGaN quantum wells lasers. Journal of Applied Physics, 2010, 107(11): 113110
https://doi.org/10.1063/1.3407564
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 optical power of light-emitting diodes. Applied Physics Letters, 2010, 96(5):  051113
https://doi.org/10.1063/1.3302458
20 Shioda T, Yoshida  H, Tachibana K ,  Sugiyama N ,  Nunoue S . Enhanced light output power of green LEDs employing AlGaN interlayer in InGaN/GaN MQW 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 optical recombination processes in InGaN quantum wells and quantum boxes. Applied Physics Letters, 2001, 78(11): 1538–1540
https://doi.org/10.1063/1.1352664
22 Lu H M, Chen  G X. Design strategies for mitigating the influence of polarization effects on GaN-based multiple quantum well light-emitting diodes. Journal of Applied Physics, 2011, 109(9): 093102
https://doi.org/10.1063/1.3580510
23 Zhao H, Arif  R A, Ee  Y K, Tansu  N. Self-consistent analysis of strain-compensated InGaN-AlGaN quantum wells for lasers and light-emitting diodes. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2009, 45(1): 66–78
https://doi.org/10.1109/JQE.2008.2004000
24 Tsai C L, Fan  G C, Lee  Y S. Effects of strain-compensated AlGaN/InGaN superlattice barriers on the optical properties of InGaN light-emitting diodes. Applied Physics A, Materials Science & Processing, 2011, 104(1): 319–323
https://doi.org/10.1007/s00339-010-6140-z
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 530–590 nm with AlGaN interlayers. Journal of Crystal Growth, 2015, 415: 57–64
https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2014.12.034
26 Saito S, Hashimoto  R, Hwang J ,  Nunoue S . InGaN light-emitting diodes on c-face sapphire substrates in green gap spectral range. Applied Physics Express, 2013, 6(11): 111004
https://doi.org/10.7567/APEX.6.111004
27 Hwang J I, Hashimoto  R, Saito S ,  Nunoue S . Development of InGaN-based red LED grown on (0001) polar surface. Applied Physics Express, 2014, 7(7): 071003
https://doi.org/10.7567/APEX.7.071003
28 Doi T, Honda  Y, Yamaguchi M ,  Amano H . Strain-compensated effect on the growth of InGaN/AlGaN multi-quantum well by metalorganic vapor phase epitaxy. Japanese Journal of Applied Physics, 2013, 52(8S): 08JB14
https://doi.org/10.7567/JJAP.52.08JB14
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-emitting diodes using an InGaN-based light converter. Applied Physics Express, 2013, 6(9): 092105
https://doi.org/10.7567/APEX.6.092105
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/GaN multiple quantum wells for improved yellow/amber light emission. Applied Physics Letters, 2015, 106(14): 142101
https://doi.org/10.1063/1.4917222
31 Damilano B, Gil  B. Yellow–red emission from (Ga,In)N heterostructures. Journal of Physics D, Applied Physics, 2015, 48(40): 403001
https://doi.org/10.1088/0022-3727/48/40/403001
32 Lekhal K, Hussain  S, Mierry P D ,  Vennéguès P ,  Nemoz M ,  Chauveau J M ,  Damilano B . Optimized In composition and quantum well thickness for yellow-emitting (Ga,In)N/GaN multiple quantum wells. Journal of Crystal Growth, 2016, 434: 25–29
https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2015.10.026
39 Bernardini F, Fiorentini  V. Polarization fields in nitride nanostructures: 10 points to think about. Applied Surface Science, 2000, 166(1–4): 23–29
https://doi.org/10.1016/S0169-4332(00)00434-7
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
Viewed
Full text


Abstract

Cited
  Shared   
  Discussed