Bijna efficiëntie-Droop-Free AlGaN-gebaseerde ultraviolette lichtemitterende diodes met een speciaal ontworpen superrooster p-Type elektronenblokkerende laag voor hoge Mg-dopingefficiëntie

Abstract

Dit werk rapporteert een bijna efficiëntie-droop-vrije AlGaN-gebaseerde diepe ultraviolette lichtgevende diode (DUV LED) die uitzendt in de piekgolflengte van 270 nm. De DUV LED maakt gebruik van een speciaal ontworpen superrooster p-type elektronenblokkerende laag (p-EBL). Het superrooster p-EBL maakt een hoge gatenconcentratie in de p-EBL mogelijk, wat dienovereenkomstig de efficiëntie van de gateninjectie in de meervoudige kwantumputten (MQW's) verhoogt. De verhoogde gatenconcentratie in het MQW-gebied kan efficiënter recombineren met elektronen om de stralingsrecombinatie te bevorderen, wat leidt tot een verlaagd elektronlekstroomniveau. Als gevolg hiervan wordt de externe kwantumefficiëntie voor de voorgestelde DUV LED-structuur met 100% verhoogd en wordt de bijna efficiëntie-droop-vrije DUV LED-structuur experimenteel verkregen.

Achtergrond

Ultraviolette stralen in het golflengteregime van 200 nm ~ 280 nm hebben potentiële toepassingen gevonden in waterzuiveringssysteem [1, 2]. Gezien de lage DC-stuurspanning en de meer compatibiliteit met het waterzuiveringssysteem, worden op AlGaN gebaseerde diepe ultraviolette lichtgevende diodes (DUV-LED's) geselecteerd als de uitstekende kandidaat. Het is vermeldenswaard dat de behandeling van het water met een groot volume het zuiveringssysteem vereist om de krachtige UVC-lichtbron te leveren. Op dit moment wordt echter niet voldaan aan de externe kwantumefficiëntie (EQE) voor op AlGaN gebaseerde DUV-leds met een emissiegolflengte korter dan 280 nm [3]. De belangrijkste beperkende factor voor de slechte EQE komt deels voort uit de grote threading dislocatiedichtheid (TDD) in de Al-rijke kwantumputten [2, 3]. De interne kwantumefficiëntie (IQE) neemt snel af zodra de TDD in de orde van 10⁹ is cm⁻² [3]. Zelfs als de TDD wordt teruggebracht tot de orde van 10⁸ cm⁻² die de IQE van 60~80% mogelijk maken, kan het effect van de efficiëntiedaling ervoor zorgen dat de EQE lager is dan 5% voor de kale UVC-LED's wanneer de injectiestroomdichtheid 80 A/cm overschrijdt² [4]. Let op, de lichtextractie-efficiëntie (LEE) voor kale UVC LED-chips is ~ 10% volgens FDTD-berekeningen [5]. Een van de toonaangevende interpretaties voor de efficiëntiedaling van op III-nitride gebaseerde LED's is de overloop van elektronen naar de p-type gateninjectielaag [6]. De Al-rijke AlGaN p-type gateninjectielaag heeft een vrije gatenconcentratie die zelfs lager is dan 1 × 10¹⁷ cm⁻³ [7], wat de neiging heeft om een ernstiger elektronenlekniveau te veroorzaken. Mehnke et al. hebben de parasitaire emissie gemeten die plaatsvindt in de p-type gatinjectielaag en de parasitaire emissie wordt goed toegeschreven aan de elektronenlekkage [8]. Om de elektronenontsnapping uit de meervoudige kwantumputten (MQW's) te verminderen, kan men de elektronenvangstsnelheid verhogen door enkele spike-lagen in de kwantumbarrières in te voegen [9]. De spike-lagen hebben een Al-samenstelling die hoger is dan de kwantumbarrière, zodat het door polarisatie geïnduceerde elektrische veld in de spike-lagen de driftsnelheid van de elektronen goed kan verminderen. De verbeterde opname-efficiëntie wordt daarom alleen mogelijk gemaakt als de DUV LED langs de oriëntatie wordt gegroeid. Een andere effectieve methode om de snelheid van elektronenvangst te verbeteren is om de offset van de geleidingsband tussen de kwantumbarrière en de kwantumbron te vergroten, wat kan worden gerealiseerd door de Al-samenstelling [10] op de juiste manier te vergroten, terwijl de kwantumbarrière-architectuur verder kan worden ontwikkeld door de Al-samenstelling beoordeeld [11]. Zoals eerder is vermeld, is de vrije-gatconcentratie voor de Al-rijke p-type AlGaN-gatinjectielaag laag, wat leidt tot het slechte gatinjectievermogen in het MQW-gebied. De slechte gateninjectie wordt ook beschouwd als de oorzaak van de elektronenlekkage [12]. Een veelbelovende methode om de thermionische emissie van gaten over de p-type elektronenblokkerende laag (p-EBL) te vergroten, is om de gaten van energie te voorzien door gebruik te maken van het elektrisch veldreservoir [13]. Het gatentransport kan ook worden begunstigd als de op p-AlGaN gebaseerde gateninjectielaag met de getrapte Al-samenstelling wordt gebruikt voor DUV-LED's [14]. De getrapte Al-samenstelling kan verder worden vervangen door de gegradeerde Al-samenstelling voor de AlGaN-laag om de gatenconcentratie te verbeteren [15,16,17]. Naast het ontwerpen van de gateninjectielaag, zijn er ook alternatieve p-EBL's voorgesteld om het gatblokkerende effect te verminderen, bijvoorbeeld door een dunne AlGaN-laag met een lagere Al-samenstelling in te voegen [18]. Een zeer belangrijke structuur voor de p-EBL-kandidaat is het superrooster p-EBL. Er zijn enorme onderzoeksinspanningen gedaan om de impact van het GaN/AlGaN-superrooster voor op GaN gebaseerde blauwe LED's te onderzoeken [19,20,21]. Desalniettemin heeft de AlGaN p-EBL voor blauwe LED's de AlN-samenstelling lager dan 20%, waardoor het gatblokkerende effect voor blauwe LED's niet zo ernstig is als dat voor DUV-LED's. Daarom is de EQE-verbetering kleiner dan 20% en is het rendementsverlies nog steeds duidelijk, zelfs als het GaN/AlGaN-superrooster p-EBL wordt gebruikt voor blauwe LED's. DUV-LED's maken gebruik van Al-rijke p-EBL's, wat aanleiding geeft tot een nog uitdagender probleem met het injecteren van gaten [1]. Om het door Al-rijke p-EBL veroorzaakte gatblokkeringseffect op te lossen, wordt ook superrooster p-EBL voorgesteld voor DUV-leds, bijv. AlInGaN/AlGaN superrooster p-EBL [22] en AlGaN/AlGaN superrooster p-EBL [23]. Het experimentele bewijs van het superrooster p-EBL dat helpt om hoge en bijna efficiëntie-droop-vrije EQE te verkrijgen, ontbreekt in dit stadium voor DUV-LED's. Daarom demonstreert dit werk experimenteel de effectiviteit van een specifiek ontworpen AlGaN / AlGaN-superrooster p-EBL bij het verbeteren van de EQE en het aanzienlijk onderdrukken van de efficiëntiedaling voor DUV-LED's. De verbeterde EQE wordt goed toegeschreven aan de verbeterde gateninjectie in het MQW-gebied, terwijl het verminderde elektronenlekkageniveau helpt om de efficiëntiedaling opmerkelijk te onderdrukken. Het gedetailleerde mechanisme zal later in dit werk worden gepresenteerd.

Methoden/experimenteel

De twee DUV LED-architecturen (LED's A en B zoals weergegeven in Fig. 1) in dit werk worden op de AlN-sjabloon gekweekt door een metaal-organische chemische dampafzetting (MOCVD) -systeem. De 4 μm dikke AlN-matrijs wordt gekweekt op het [0001]-georiënteerde saffiersubstraat met behulp van de Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) -methode. We groeien 20-periode AlN/Al_0,50 Ga_0,50 N superrooster op de AlN-sjabloon, die dient als de trekontlastingslaag voor de vervolgens gegroeide epi-laag. Een 2 μm dikke n-Al_0,60 Ga_0,40 N laag met een elektronenconcentratie van 1 x 10¹⁸ cm⁻³ wordt gekweekt om elektronen te leveren. De DUV-fotonen worden gegenereerd door Al_0,45 . met vijf perioden Ga_0,55 N/Al_0,56 Ga_0,44 N MQW's met een 3 nm dikke Al_0,45 Ga_0,55 N kwantumbronnen en 12 nm dik Al_0,56 Ga_0,44 N kwantumbarrières. De MQW's worden vervolgens afgedekt door een 10 nm dikke op AlGaN gebaseerde p-EBL. In ons experiment ontwerpen en kweken we twee soorten p-EBL's voor respectievelijk LED's A en B. LED A heeft een Al_0.60 Ga_0,40 N-gebaseerde p-EBL en LED B heeft een 5-periode 1-nm Al_0,45 Ga_0,55 N/1-nm Al_0,60 Ga_0,40 N-gebaseerd p-EBL. Let op, onze superrooster p-EBL-lus begint vanaf de Al_0.45 Ga_0,55 N dunne laag na het groeien van de laatste Al_0.56 Ga_0,44 N kwantumbarrière. Door dit te doen, wordt het grensvlak van de laatste kwantumbarrière / superrooster p-EBL gepolariseerd door negatieve polarisatie-geïnduceerde velladingen op te leveren, wat helpt om de elektronenaccumulatie in de laatste kwantumbarrière uit te putten en de elektronenlekkage verder onderdrukt. De p-EBL wordt dan gevolgd door een 50 nm p-Al_0.40 Ga_0.60 N/50 nm p-GaN-gat leverancier. Ten slotte is de p-GaN-laag bedekt met een 10 nm dikke, zwaar Mg-gedoteerde p⁺ -GaN-laag. De DUV LED-wafels worden thermisch ter plaatse gegloeid bij een temperatuur van 800 °C in de N₂ omgevingstemperatuur gedurende 15 minuten om de H-Mg-bindingen te splitsen. De gatenconcentratie wordt dan ruwweg geschat op 1 × 10¹⁷ cm⁻³ en 3 × 10¹⁷ cm⁻³ voor respectievelijk de Al-rijke p-AlGaN-laag en de p-GaN-laag.

Schematische architecturale structuren voor de bestudeerde LED's. De geschetste energiebanddiagrammen voor de twee p-EBL's zijn ook aanwezig:LED A heeft de p-Al_0.60 Ga_0,40 N-gebaseerde EBL en LED B heeft de p-Al_0.45 Ga_0,55 N/Al_0.60 Ga_0,40 N superrooster EBL. De p-Al_0,45 Ga_0,55 N/Al_0.60 Ga_0,40 N superrooster EBL is speciaal zo ontworpen dat het de dunne p-Al_0.45 initieert Ga_0,55 N laag zodat de interface voor de p-Al_0.45 Ga_0,55 N/Al_0,56 Ga_0,44 N laatste kwantumbarrière bezit negatieve polarisatie-interfaceladingen. E betekent energieniveau.

De DUV LED-wafels worden gefabriceerd tot DUV LED-chips door een standaard microfabricageproces te volgen. De mesa wordt verkregen door middel van inductief gekoppeld plasma (ICP) etsen en de mesa-afmeting is 650 × 320 μm² . Een Ti/Al-metaalstapel wordt afgezet op de n-Al_0.60 Ga_0,40 N laag, die vervolgens wordt uitgegloeid in N₂ gedurende 1 min bij een temperatuur van 900 °C. Een Ni/Au-stroomspreiding wordt op het mesa-oppervlak gecoat en vervolgens uitgegloeid in O₂ gedurende 5 min bij een temperatuur van 550 °C. Ten slotte deponeren we Ti/Al/Ni/Au-metalen gelijktijdig op de Ti/Al-legering en de Ni/Au-stroomverspreidende laag die respectievelijk dienst doet als de n-elektrode en de reflecterende p-elektrode. De DUV LED-chips zijn flip-chip-apparaten en de DUV-fotonen worden verzameld aan de saffierzijde door een integrerende bol.

Om de diepgaande oorsprong van de verbeterde EQE en de onderdrukte efficiëntiedaling beter te onthullen, worden numerieke berekeningen uitgevoerd met behulp van het APSYS-pakket [13, 18]. Belangrijke fysieke parameters die worden gebruikt om de dragerrecombinatiegebeurtenissen en het dragerverlies te berekenen, zijn onder meer Shockley-Read-Hall (SRH) recombinatie-levensduur, Auger-recombinatiecoëfficiënt, de energieband-offsetverhouding voor AlGaN/AlGaN-interfaces en het polarisatieniveau voor [0001 ]-georiënteerde III-nitride-structuren, die zijn ingesteld op 10 ns, 1 × 10⁻³⁰ cm⁶ s⁻¹ , 50:50 en 40% respectievelijk [13, 18]. De LEE is ingesteld op 10% voor kale DUV LED-chips met een 50 nm dikke absorberende p-GaN-laag [5].

Resultaten en discussies

De experimenteel gemeten elektroluminescentie (EL) spectra bij een ander stroomdichtheidsniveau voor LED's A en B worden weergegeven in Fig. 2a. De EL-spectra worden verzameld in gepulseerde toestand met een duty cycle van 0,1% om het zelfverhittingseffect te voorkomen. Figuur 2a laat zien dat de piekemissiegolflengte voor beide DUV LED-apparaten ~~270 nm is. De piekemissiegolflengte is stabiel binnen het geteste stroombereik vanwege de eliminatie van het zelfverhittingseffect. De EL-intensiteit voor LED B is sterker dan die voor LED A. Figuur 2b toont het optische vermogen en de EQE als functie van de injectiestroomdichtheid, wat illustreert dat de EQE met ~~90% wordt verbeterd. Bovendien zijn de efficiëntiedalingsniveaus ~ 24 en ~ 4% voor LED's A en B bij het stroomdichtheidsniveau van 110 A/cm² , respectievelijk [droop = (EQE _max − EQE _J )/EQE _max , waarin EQE _max en EQE _J duiden de maximale EQE en de EQE aan bij de stroomdichtheid van J ]. Figuur 2c geeft de numeriek berekende optische vermogensdichtheid en de EQE weer in termen van de injectiestroomdichtheid. De numeriek berekende resultaten en de experimenteel gemeten resultaten komen goed met elkaar overeen, zodat LED B de verbeterde EQE en een aanzienlijk verlaagd efficiëntie-droop-niveau laat zien. De overeenkomst tussen figuur 2b en 2c valideert goed de fysieke modellen en de parameters die we instellen voor berekeningen.

een Gemeten EL-spectra bij de stroomdichtheid van 10, 30, 50 en 70 A/cm² . b Gemeten optisch vermogen en EQE. c Berekend optisch vermogen en EQE voor respectievelijk LED's A en B

De twee DUV-LED's verschillen alleen van elkaar in de p-EBL. Daarom is het nodig om de rol van het superrooster p-EBL bij het verbeteren van de optische prestaties voor LED B te onderzoeken. Figuur 3a toont de gatenconcentratieprofielen over het MQW-gebied voor LED's A en B bij een stroomdichtheid van 50 A/cm² . Het is aangetoond dat het niveau van de gatenconcentratie binnen de MQW's voor LED B hoger is dan dat voor LED A. Zoals is gemeld, vermindert de p-EBL het elektronenlekniveau terwijl het tegelijkertijd de gateninjectie belemmert [24]. Een nuttige benadering om het gatblokkerende effect te verminderen, is het verhogen van de gatenconcentratie in het p-EBL-gebied, wat vervolgens helpt om de valentieband-barrièrehoogte te verlagen [25]. Figuur 3b toont vervolgens de gatenconcentratieniveaus in de p-EBL's en de p-Al_0,40 Ga_0.60 N lagen voor LED's A en B met een stroomdichtheid van 50 A/cm² . De gemiddelde gatenconcentratie in het superrooster p-EBL voor LED B is twee ordes van grootte veel hoger dan die voor LED A. De grotere gatenconcentratie in het superrooster p-EBL wordt goed toegeschreven aan het uitstekende gatentransport. Interessant is dat als we verder kijken naar figuur 3b, we ontdekken dat de gatenconcentratie bij de p-EBL/p-Al_0,40 Ga_0.60 N-interface wordt lager voor LED A, wat ook de soepelere efficiëntie van de gatinjectie weerspiegelt door het superrooster p-EBL voor LED B.

Numeriek berekende gatenconcentratieprofielen a in de MQW's en b in de p-type gateninjectielagen voor respectievelijk LED's A en B; c experimenteel gemeten EL-spectra op semi-logschaal bij de stroomdichtheid van 10, 30, 50 en 70 A/cm² voor respectievelijk LED's A en B; d numeriek berekende elektronenconcentratieniveaus in de p-type gateninjectielagen voor LED's A en B. Numeriek berekende gegevens worden verzameld bij een stroomdichtheid van 50 A/cm²

Zoals eerder vermeld, hangt de efficiëntie van LED's nauw samen met het niveau van elektronenlekkage. Daarom tonen we de gemeten EL-spectra voor LED's A en B in een semi-logschaal (zie figuur 3c) om de gedetailleerde informatie over de parasitaire luminescentie aan te geven. De piekemissiegolflengte voor de parasitaire luminescentie is gecentreerd op ~-425 nm, wat kan voortvloeien uit de diepe niveaus die verband houden met Mg-doteringsmiddelen [26]. De intensiteit van de parasitaire luminescentie voor LED B is sterker dan die voor LED A, en er wordt gespeculeerd dat meer dragers recombineren op de diepe niveaus. In ons experiment zijn de p-type gateninjectielagen voor beide DUV LED-architecturen niet ontworpen, en het gatconcentratieniveau in de gateninjectielagen zal vergelijkbaar zijn. Daarom is vastgesteld dat elektronen die ontsnappen uit het MQW-gebied een hogere concentratie in de gateninjectielaag voor LED B hebben dan die voor LED A. Onze suggesties worden verder ondersteund door Fig. 3d die de elektronenconcentratieprofielen in de p- toont. type gateninjectielagen voor LED's A en B met een stroomdichtheid van 50 A/cm² . Dit betekent ook dat de elektronenlekstroom aanzienlijk is verminderd dankzij het superrooster p-EBL voor LED B.

Vervolgens presenteren we de berekende profielen van de stralingsrecombinatiesnelheid voor LED's A en B in Fig. 4 die zijn verzameld bij het stroomdichtheidsniveau van 50 A/cm² . Er wordt geconcludeerd dat de stralingsrecombinatiesnelheid voor LED B sterker is dan die voor LED A dankzij het voorgestelde superrooster p-EBL, dat zelfs nog meer de gateninjectie in het MQW-gebied begunstigt en ondertussen het elektronenlekkageniveau onderdrukt.

Numeriek berekende profielen van de stralingsrecombinatiesnelheid voor LED's A en B. Gegevens worden verzameld op het stroomdichtheidsniveau van 50 A/cm²

Afbeelding 5a en 5b tonen de energieband in de buurt van de p-EBL's voor beide DUV LED-apparaten. De energiebanden worden berekend bij een stroomdichtheid van 50 A/cm² . Zoals is gemeld door Zhang et al. [27], kan de sterke polarisatie-geïnduceerde positieve ladingen bij de laatste kwantumbarrière/p-EBL-interface aanzienlijk elektronen aantrekken, wat aanleiding geeft tot de hoge lokale elektronenconcentratie. De hoge lokale elektronenconcentratie kan de effectieve hoogte van de geleidingsbandbarrière verminderen (Ø _e ) voor de p-EBL die ~ 295 meV is voor LED A. Als de bulk op AlGaN gebaseerde p-EBL wordt vervangen door het specifieke superrooster p-EBL in dit werk (dwz de superrooster p-EBL-lus begint vanaf de dunne AlGaN-laag met een kleinere energiebandafstand dan de laatste AlGaN-kwantumbarrière), is de geleidingsband voor de laatste kwantumbarrière naar boven genoemd (zie figuur 5b), en dit bevordert een elektronenuitputting in de laatste kwantumbarrière die vervolgens de verhoogt Ø _e tot ~ 391 meV en maakt een kleinere elektronenontsnapping mogelijk door middel van thermionische emissie [28]. Verder vergemakkelijkt het superrooster p-EBL het intra-band tunnelingproces voor gaten, waardoor de gatenconcentratie in de p-EBL ook hoger wordt (zie Fig. 3b) De verhoogde gatenconcentratie in de p-EBL voor LED's heeft de neiging om de effectieve hoogte van de valentiebandbarrière te verminderen (Ø _h ) [25], d.w.z. de waarden van Ø _h zijn ~ 324 meV en ~ 281 meV voor LED's A en B, respectievelijk bij een stroomdichtheid van 50 A/cm² . De nog kleinere Ø _h voor LED B bevordert op zijn beurt de thermionische emissie voor gaten. Het is vermeldenswaard dat het superrooster p-EBL ook de intra-band tunneling voor elektronen kan veroorzaken. Gelukkig kan de verbeterde gatenconcentratie in de MQW elektronen beter opnemen door stralingsrecombinatie, wat ook bijdraagt aan het verminderen van de elektronenlekkage [12]. Vanwege de meer favoriete gateninjectie en de nog sterkere recombinatiestroom die wordt geproduceerd door het stralingsrecombinatieproces dat plaatsvindt in het MQW-gebied, wordt de voorwaartse spanning kleiner voor LED B dan die voor LED A volgens figuur 5c.

Numeriek berekende energiebandprofielen in de buurt van a bulk AlGaN-gebaseerde p-EBL voor LED A, b superrooster p-EBL voor LED B en c gemeten stroomdichtheid in termen van de toegepaste bias voor LED's A en B. Gegevens voor a en b worden berekend bij een stroomdichtheid van 50 A/cm² . E _C , E_V , Ø _e , en Ø _h noem de geleidingsband, de valentieband en de effectieve barrièrehoogten voor respectievelijk geleidingsband en valentieband

Conclusies

Samenvattend heeft dit werk een specifiek superrooster p-EBL voor DUV-LED's gerapporteerd, dat zowel de bevorderde gatinjectie-efficiëntie als de verminderde elektronenlekkage in de passieve p-type gatinjectielaag kan behouden. Daarom worden zowel numeriek als experimenteel de verbeterde EQE en de opmerkelijk onderdrukte efficiëntiedaling verkregen. We zijn er sterk van overtuigd dat de voorgestelde DUV LED-structuur veelbelovend is voor het realiseren van zeer efficiënte DUV-LED's en de apparaatfysica die door dit werk wordt onthuld, introduceert meer begrip voor de op III-nitride gebaseerde opto-elektronische gemeenschap.

Afkortingen

APSYS:: Geavanceerde fysieke modellen van halfgeleiderapparaten
DUV:: Diepe ultraviolette lichtgevende diodes
EL:: Elektroluminescentie
EQE:: Externe kwantumefficiëntie
HVPE:: Epitaxie van de hydridedampfase
ICP:: Inductief gekoppeld plasma
IQE:: Interne kwantumefficiëntie
LEE:: Efficiëntie lichtafzuiging
MOCVD:: Metaal-organische chemische dampafzetting
MQW's:: Meerdere kwantumbronnen
p-EBL:: p-type elektronenblokkerende laag
TDD:: threading dislocatiedichtheid

Met mierikswortelperoxidase ingekapselde holle silica-nanosferen voor intracellulaire waarneming van reactieve zuurstofsoorten Lage tunnelverval van jodium-beëindigde alkaan enkel-moleculaire verbindingen

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal