Op de p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN Current Spreading Layer voor op AlGaN gebaseerde Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes

Resultaten en discussies

Bewijs van de effectiviteit van de PNP-AlGaN-junctie bij het verspreiden van de stroom voor DUV-LED's

Om de effectiviteit van de PNP-AlGaN-structuur bij het verspreiden van de stroom voor DUV-LED aan te tonen, zijn de referentie-DUV-LED (dwz LED A) zonder PNP-AlGaN-structuur en de DUV-LED met de PNP-AlGaN-structuur (dwz LED B) bestudeerd. Merk op dat de architectuurinformatie voor de DUV-LED's is gegeven in de sectie Onderzoeksmethoden en natuurkundige modellen, behalve de PNP-AlGaN-configuratie voor LED B. LED B heeft twee PNP-AlGaN-lussen, d.w.z. de PNPNP-AlGaN-structuur. Elke PNP-AlGaN-junctie omvat de p-Al_0.40 Ga_0.60 N/n-Al_0.40 Ga_0.60 N/p-Al_0.40 Ga_0.60 N-structuur, waarvoor de Si-doteringsconcentratie in de 20 nm dikke n-Al_0,40 Ga_0.60 N invoeglaag is 5,3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . We berekenen en tonen het energiebanddiagram voor LED B bij de stroomdichtheid van 170 A/cm ² in afb. 3a. We kunnen zien dat, in vergelijking met LED A (energieband wordt hier niet getoond), de gaten twee barrières zullen tegenkomen voordat ze in de MQW's worden geïnjecteerd. De barrières in de valentieband hier kunnen de stroom effectief verspreiden en de gaten lateraal beter homogeniseren. Om ons punt verder te bespreken en voor het doel van de demonstratie, tonen we het laterale gatconcentratieprofiel in de kwantumbron die het dichtst bij de p-EBL [dwz de laatste kwantumbron (LQW)] in Fig. 3b, waaruit blijkt dat de gatenverdeling in LED B vertoont inderdaad een meer uniform profiel in de LQW. De waarnemingen in figuur 2b komen goed overeen met de energiebanddiagrammen in figuur 3a en onze analyse eerder, zodat de PNP-AlGaN-structuur nuttig blijkt bij het verbeteren van het huidige spreidingseffect.

een Energiebanddiagram voor LED B bij de stroomdichtheid van 170 A/cm ² . E _c , E _v , E _fe , en E _fh geven de geleidingsband, de volantband en quasi-Fermi-niveaus voor respectievelijk elektronen en gaten aan, b laterale gatenverdeling in de laatste kwantumput voor LED's A en B bij een stroomdichtheid van 170 A/cm ² , respectievelijk

Vervolgens tonen we de profielen voor de gatenconcentratie en de stralingsrecombinatiesnelheid in het MQW-gebied voor LED's A en B in respectievelijk Fig. 4a, b. Merk op dat om het huidige spreidingseffect te controleren, de gegevens in Fig. 4a, b worden verzameld op de positie van 230 m van de linker mesarand. Het is gebleken dat de verbeterde stroomspreiding voor LED B ook de bevorderde injectie van gaten in de MQW's mogelijk maakt. De verbetering van de gatenconcentratie in de MQW's genereert de verbeterde stralingsrecombinatiesnelheid voor LED B volgens figuur 4b.

een Gatenconcentratieprofielen en b stralingsrecombinatiesnelheid in het MQW-gebied voor LED's A en B bij een stroomdichtheid van 170 A/cm ² , respectievelijk

Figuur 5a toont vervolgens de EQE en de optische vermogensdichtheid in termen van het injectiestroomdichtheidsniveau voor LED's A en B. De EQE-niveaus voor LED's A en B zijn respectievelijk 3,38% en 4,13%, wat een prestatieverbetering van 22,2% aangeeft bij de stroomdichtheid van 170 A/cm ² . Deze waargenomen verbeteringen worden toegeschreven aan het betere stroomspreidingseffect en de verbeterde gateninjectie in het MQW-gebied voor LED B. Zoals eerder vermeld, kan de goedkeuring van de PNP-AlGaN-structuur leiden tot de energiebarrière in de valentieband, die kan de doorlaatspanning beïnvloeden. De speculatie wordt bewezen wanneer wordt verwezen naar figuur 5b die de licht verhoogde voorwaartse spanning voor LED B demonstreert. Ondanks de hogere voorwaartse spanning voor LED B, is de efficiëntie van de wall-plug voor LED nog steeds groter dan die voor LED A volgens figuur 5c , zodanig dat de cijfers 3,56% en 4,27% zijn voor LED's A en B bij het stroomdichtheidsniveau van 170 A/cm ² , respectievelijk. Als we Fig. 5a, c verder vergelijken, kunnen we zien dat de WPE een meer uitgesproken droop heeft voor LED B, en dit wordt toegeschreven aan de extra spanningsval bij de PNP-AlGaN-junctie. Daarom is het van essentieel belang om een ​​uitgebreidere studie uit te voeren die de gevoeligheid van de EQE, doorlaatspanning en de WPE voor verschillende PNP-AlGaN-ontwerpen onthult.

een Optische uitgangsvermogensdichtheid en EQE als functie van de injectiestroom, b stroom-spanningskarakteristiek, c WPE in termen van de injectiestroom voor respectievelijk LED's A en B

Impact van de dikte voor de n-AlGaN-laag op de apparaatprestaties

Volgens vgl. (1), kunnen we concluderen dat een verbeterde horizontale stroom kan worden verkregen door de waarde van N·ρ te verhogen _PNP . De barrièrehoogte in de PNP-AlGaN-junctie neemt toe wanneer de n-Al_0,40 Ga_0.60 N laag wordt dik zodat een grotere ρ _PNP kan worden verkregen, wat gunstig is voor het verbeterde stroomspreidingseffect. Echter, zodra de n-Al_0,40 Ga_0.60 N laag is te dik, meer gaten in de p-Al_0.40 Ga_0.60 De N-laag kan uitgeput raken, wat de elektrische geleidbaarheid kan opofferen. Daarom, om de relatie tussen de dikte van n-Al_0,40 . beter te illustreren Ga_0.60 N-laag en prestaties voor DUV-LED's, is het noodzakelijk om de impact van de n-Al_0.40 te onderzoeken Ga_0.60 N laagdikte voor de PNP-AlGaN-junctie op de stroomspreiding, de gatinjectie, de EQE, de voorwaartse spanning en de WPE. Voor dat doel variëren we de waarden van de n-Al_0.40 Ga_0.60 N laagdikte tussen 6, 13, 20, 27 en 34 nm, en de apparaten worden respectievelijk LED's T1, T2, T3, T4 en T5 genoemd. Tabel 1 geeft een samenvatting van de valentieband-barrièrehoogte voor elke PNP-AlGaN-junctie, waaruit blijkt dat de barrièrehoogte toeneemt naarmate de n-Al_0,40 Ga_0.60 N laagdikte neemt toe, wat bewijst dat de toename van de n-Al_0,40 Ga_0.60 N laagdikte maakt de grote N·ρ . mogelijk _PNP , waardoor de horizontale stroom J . toeneemt ₂ . Figuur 6a toont vervolgens de laterale gatenconcentratieprofielen in de laatste kwantumput voor LED A zonder de PNP-AlGaN gestructureerde stroomspreidingslaag en de LED's met verschillende n-Al_0,40 Ga_0.60 N laagdiktes bij de stroomdichtheid van 170 A/cm ² . Het is blijkbaar te zien dat de gaten gelijkmatiger worden verdeeld in de laatste kwantumput als de dikte voor de n-Al_0,40 Ga_0.60 N invoeglaag neemt toe.

een Laterale gatenverdeling in de laatste kwantumput, b gatenconcentratieprofielen en c stralingsrecombinatiesnelheidsprofielen in het MQW-gebied voor LED's A, T1, T2, T3, T4 en T5 bij een stroomdichtheid van 170 A/cm ² . De uitgezette curven voor panelen b en c zijn opzettelijk met 2 nm verschoven voor een betere resolutie

Vervolgens laten we de gatenconcentratieprofielen en stralingsrecombinatiesnelheidsprofielen in het MQW-gebied zien voor alle bestudeerde apparaten met een stroomdichtheid van 170 A/cm ² in Fig. 6b, c, respectievelijk. De gatenconcentratie en stralingssnelheidsprofielen worden verzameld op de positie van 230 m van de linker mesarand. Voor een betere visuele resolutie zijn de gatenconcentratie- en stralingsrecombinatiesnelheidsprofielen voor LED's A, T1, T2, T3, T4 en T5 ruimtelijk verschoven met 2 nm in respectievelijk Fig. 6b, c. Het is duidelijk aangetoond dat LED A de laagste gatenconcentratie heeft en dus de laagste stralingsrecombinatiesnelheid in het MQW-gebied. De gatenconcentratie en de stralingsrecombinatiesnelheid in het MQW-gebied nemen toe met de toenemende dikte van de n-Al_0,40 Ga_0.60 N laag.

De waargenomen resultaten getoond in Fig. 6c komen goed overeen met de EQE en de optische vermogensdichtheid die worden weergegeven in Fig. 7a, zodat de toenemende dikte van de n-Al_0.40 Ga_0.60 N-laag in de PNP-AlGaN-junctie kan de EQE en de optische vermogensdichtheid verbeteren. De hoogte van de valentiebandbarrière voor gaten in elke PNP-AlGaN-junctie wordt echter groot zodra de n-Al_0,40 Ga_0.60 N-laag is verdikt volgens tabel 1, die dienovereenkomstig de voorwaartse spanning voor de voorgestelde DUV-LED's verhoogt, zoals weergegeven in figuur 7b. Daarom is de impact van de n-Al_0,40 Ga_0.60 De N-laagdikte voor de PNP-AlGaN-stroomspreiding op de LED-prestaties moet worden geëvalueerd door de relatie tussen de WPE en de injectiestroomdichtheid aan te tonen (zie Fig. 8). We kunnen zien dat de WPE niet monotoon toeneemt met de toenemende n-Al_0,40 Ga_0.60 N laagdikte. De EQE en de WPE in termen van de n-Al_0.40 Ga_0.60 N-laagdiktes worden geïllustreerd in de inzet van figuur 8. Voor de voorgestelde apparaatarchitecturen in dit werk bereikt de WPE de hoogste waarde wanneer de n-Al_0,40 Ga_0.60 N-invoeglaag is 20 nm dik en neemt af naarmate de n-Al_0,40 Ga_0.60 N insteeklaag wordt dikker. We schrijven dit fenomeen toe aan de verhoogde verticale weerstand wanneer de n-Al_0.40 Ga_0.60 N laagdikte wordt dikker, en dit verbruikt meer elektrisch vermogen. Daarom zal de dikte van de n-AlGaN-invoeglaag voor de PNP-AlGaN-junctie zorgvuldig worden geoptimaliseerd. In deze sectie stellen we de AlN-samenstelling van 40% in, d.w.z. n-Al_0,40 Ga_0.60 N voor demonstratiedoeleinden, en we zijn van mening dat de geoptimaliseerde dikte voor de n-AlGaN-invoeglaag kleiner zal worden als men de AlN-samenstelling verhoogt.

een Optische uitgangsvermogensdichtheid, b stroom-spanningskarakteristieken voor LED's A, T1, T2, T3, T4 en T5. Inzetfiguur toont de ingezoomde stroom-spanningscurven

WPE als functie van de injectiestroom voor LED's A, T1, T2, T3, T4 en T5. Inzetfiguur toont de WPE en EQE voor de bestudeerde LED's met verschillende diktes van de n-Al_0,40 Ga_0.60 N-laag voor de PNP-AlGaN-junctie bij de stroomdichtheid van 170 A/cm ²

Impact van de dopingconcentratie van de n-AlGaN-laag op de prestaties van het apparaat

Naast de dikte van de n-AlGaN-laag, kan de doteringsconcentratie voor de n-AlGaN-laag ook de hoogte van de valentiebandbarrière voor gaten wijzigen, waardoor N·ρ wordt beïnvloed. _PNP . Om de impact van de dopingconcentratie voor de n-AlGaN-laag op het stroomspreidingseffect en de optische prestaties voor DUV-LED's met de PNP-AlGaN-juncties nauwkeuriger te bestuderen, hebben we de dopingconcentratie van 1,3 × 10 ¹⁷ , 5,3 × 10 ¹⁷ , 9,3 × 10 ¹⁷ , 1.33 × 10 ¹⁸ , en 1,73 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ van de n-AlGaN-lagen voor respectievelijk LED's D1, D2, D3, D4 en D5. De dikte voor de n-AlGaN-laag is ingesteld op 20 nm en er worden twee PNP-AlGaN-overgangen toegepast. De AlN-samenstelling is 40%, d.w.z. n-Al_0,40 Ga_0.60 N.

Tabel 2 laat zien dat de hoogte van de valentiebandbarrière voor gaten toeneemt wanneer de Si-doteringsconcentratie voor de n-Al_0,40 Ga_0.60 N-laag van de PNP-AlGaN-junctie wordt hoog. De verhoogde valentieband barrièrehoogte geeft de grote N·ρ . aan _PNP , die tegelijkertijd de hoge horizontale stroom van J . oplevert ₂ . Volgens vgl. (1), de verhoogde stroomspreiding gaat gepaard met het meer uniforme laterale gatconcentratieprofiel, en daarom laten we in figuur 9a zien dat de laterale gatverdeling in de laatste kwantumput meer gehomogeniseerd wordt zodra de PNP-AlGaN junctie is gedoteerd voor DUV-LED's in vergelijking met LED A. Bovendien worden de laterale gaten gelijkmatiger verdeeld zodra de Si-doteringsconcentratie voor de n-Al_0,40 Ga_0.60 N-laag van de PNP-AlGaN-junctie neemt toe.

een Laterale gatenverdeling in de laatste kwantumput, b gatenconcentratieprofielen, en c stralingsrecombinatiesnelheidsprofielen in het MQW-gebied of LED's A, D1, D2, D3, D4 en D5 bij een stroomdichtheid van 170 A/cm ² . De uitgezette curven voor panelen b en c zijn opzettelijk met 2 nm verschoven voor een betere resolutie

Vervolgens laten we de gatenconcentratieprofielen en stralingsrecombinatiesnelheidsprofielen in het MQW-gebied zien voor alle bestudeerde apparaten met een stroomdichtheid van 170 A/cm ² in Fig. 9b, respectievelijk c, die worden verzameld op de positie van 230 m van de linker mesarand. Het is duidelijk aangetoond dat LED A de laagste gatenconcentratie en de laagste stralingsrecombinatiesnelheid in het MQW-gebied heeft. De gatenconcentratie en de stralingsrecombinatiesnelheid in het MQW-gebied nemen toe met de toenemende doteringsconcentraties van de n-Al_0,40 Ga_0.60 N lagen voor de LED's met PNP-AlGaN-juncties. Het verbeterde gatenconcentratieniveau in de MQW voor LED's D1, D2, D2, D3, D4 en D5 wordt toegeschreven aan het betere stroomspreidingseffect, dankzij de PNP-AlGaN-junctie.

Vervolgens berekenen en presenteren we de EQE en de optische vermogensdichtheid in termen van de injectiestroomdichtheid voor de onderzochte apparaten in figuur 10a. De waargenomen EQE is consistent met de resultaten in Fig. 9b, c, zodat de EQE kan worden verbeterd zodra de PNP-AlGaN-overgang wordt gebruikt. Meer dan dat, aangezien de Si-doteringsconcentratie in de n-Al_0,40 Ga_0.60 N-laag voor de PNP-AlGaN-junctie neemt toe, de EQE kan verder worden bevorderd, dankzij de betere stroomspreiding. Afbeelding 10b vergelijkt de voorwaartse bedrijfsspanning voor de onderzochte apparaten. Er wordt aangetoond dat de voorwaartse bedrijfsspanning toeneemt met de toename van de doteringsconcentratie in de n-Al_0,40 Ga_0.60 N laag. Merk op dat aangezien de Si-dopingconcentraties 1,33 × 10 ¹⁸ . zijn en 1,73 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , vertoont de inschakelspanning een significante toename, wat aangeeft dat de PNP-AlGaN ingebouwde junctie zich een parasitaire diode gedraagt ​​wanneer de Si-doping in de n-Al_0,40 Ga_0.60 N-laag neemt toe tot een zeer hoog niveau. Om de prestaties van de DUV-LED's met verschillende PNP-AlGaN-juncties nauwkeuriger te beoordelen, toont Fig. 11 WPE als een functie van de injectiestroomdichtheid voor LED A, D1, D2, D3, D4 en D5. We kunnen duidelijk zien dat de WPE de laagste is voor LED D5, wat komt door het grootste voorwaartse spanningsverbruik. De inzet voor Fig. 11 geeft ook aan dat de WPE gevoeliger is voor de Si-dopingconcentratie van de n-Al_0,40 Ga_0.60 N laag dan de EQE. Het is de moeite waard om te concluderen dat de hoge Si-doteringsconcentratie van de n-Al_0,40 Ga_0.60 N-laag kan inderdaad de huidige spreidingslaag verbeteren en de snelheid van het genereren van fotonen verhogen. Desalniettemin verbruikt de extra voorwaartse spanningsval bij de PNP-AlGaN-knooppunten meer elektrisch vermogen, waardoor de WPE wordt beperkt. De bevindingen in deze sectie illustreren ook dat de Si-dopingconcentratie in de n-Al_x Ga_1-x N-laag moet op de juiste manier worden verminderd als men de AlN-samenstelling en/of de dikte van de n-Al_{x verhoogt} Ga_1-x N-laag voor de PNP-AlGaN-junctie, omdat men hierdoor zowel de verbeterde EQE als de fatsoenlijke WPE kan verkrijgen.

een Optische uitgangsvermogensdichtheid en EQE als functie van de injectiestroom, b stroom-spanningskarakteristieken voor LED's A, D1, D2, D3, D4 en D5. Inzetfiguur toont de ingezoomde stroom-spanningscurven

WPE als functie van de injectiestroom voor LED's A, D1, D2, D3, D4 en D5. Inzetfiguur toont de WPE en EQE voor de bestudeerde LED's met verschillende dopingconcentraties van de n-Al_0,40 Ga_0.60 N laag met een stroomdichtheid van 170 A/cm ²

Impact van PNP-AlGaN-knooppuntnummer op de apparaatprestaties

In deze sectie wordt de impact bestudeerd van het aantal PNP-AlGaN-juncties op de elektrische en optische prestaties van DUV-leds. Ter demonstratie stellen we de dopingconcentratie en de dikte van de n-AlGaN-laag vast op 5,3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ en 20 nm, respectievelijk. De AlN-samenstelling is geselecteerd op 0,40, zoals n-Al_0,40 Ga_0.60 N. We gebruiken verschillende lussen voor de PNP-AlGaN-junctie, d.w.z. de lusnummers zijn ingesteld op 1, 2, 3 en 4 voor respectievelijk LED's N1, N2, N3 en N4. We berekenen en presenteren eerst de hoogte van de valentiebandbarrière voor elke PNP-AlGaN-junctie in Tabel 3. Het is duidelijk te lezen dat de toename van het PNP-AlGaN-junctienummer de totale N·ρ maakt _PNP hoog. Vervolgens berekenen en demonstreren we de laterale verdeling voor de gaten in de laatste kwantumput voor LED's A, N1, N2, N3 en N4 bij een stroomdichtheid van 170 A/cm ² (zie afb. 12a). Het laat zien dat de gatenverdeling in de laatste kwantumput uniformer wordt naarmate er meer PNP-AlGaN-overgangen worden ingebouwd. De resultaten in Fig. 12a ondersteunen verder de voorspellingen van Vgl. (1).

een Laterale gatenverdeling in de laatste kwantumput, b gatenconcentratieprofielen, en c stralingsrecombinatiesnelheidsprofielen in het MQW-gebied voor LED's A, N1, N2, N3 en N4 bij een stroomdichtheid van 170 A/cm ² . De uitgezette curven voor panelen b en c are purposely shifted by 2 nm for better resolution

Then, we show the hole concentration and radiative recombination rate profiles in the MQW region for LEDs A, N1, N2, N3, and N4 at the current density of 170 A/cm ² in Fig. 12b, c, respectively. The hole and radiative recombination rate profiles are probed at the position of 230 μm apart from the left mesa edge. It is indicated that the hole concentration and radiative recombination rate increase if the number of the PNP-AlGaN junction is more. It is worth mentioning here that we do not increase the value of N beyond 4, since when the N is further increased, the thickness of the remaining p-Al_0.40 Ga_0.60 N layer becomes so thin that the holes may be depleted by the ionized Si dopants and the hole supply can be insufficient.

Thanks to the improved current spreading effect, the enhanced hole concentration in the MQW region, LEDs N1, N2, N3, and N4 consequently promote the EQE and optical power density when compared with LED A (see Fig. 13a). Figure 13b demonstrates that the forward operating voltage for the suggested DUV LEDs also increases if more PNP-AlGaN junctions are incorporated. Fortunately, the increase of the forward voltage for LEDs N1, N2, N3, and N4 does not reduce the WPE according to Fig. 14. Further investigations into the inset of Fig. 14 can illustrate that both the EQE and WPE tend to approach a saturation level as the number of the PNP-AlGaN junction increases. Therefore, we believe that, as has also been pointed out previously, further increase of the number for the PNP-AlGaN junction may deplete the holes and correspondingly degrade the hole supply capability, hence making little contribution in enhancing the EQE and the WPE for the proposed device architectures in this work.

een Optical output power density and EQE as a function of the injection current, b current-voltage characteristic for LEDs A, N1, N2, N3, and N4. Inset figure shows the zoom-in current-voltage curves

WPE as a function of the injection current for LEDs A, N1, N2, N3, and N4. Inset figure shows the WPE and EQE for LEDs with various number of PNP-AlGaN junction at the current density of 170 A/cm ²

Impact of the AlN Composition for n-AlGaN Layer on the Device Performance

Lastly, we modify the ρ _PNP by varying the AlN composition of the n-AlGaN layer for the PNP-AlGaN junction. The values for the AlN composition of the n-AlGaN layer are set to 0.40, 0.43, 0.46, 0.49, and 0.51 for LEDs C1, C2, C3, C4, and C5, respectively. The thickness and the Si doping concentration of the n-AlGaN layer are set to 20 nm and 5.3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , respectievelijk. We adopt two PNP-AlGaN junctions for LEDs C1, C2, C3, C4, and C5. The AlN composition for the rest p-AlGaN layers is fixed to 0.40. Table 4 demonstrates the valence band barrier height for the PNP-AlGaN junction with different AlN compositions in the n-AlGaN insertion layer. It is easily understandable that the increased AlN composition in the n-AlGaN layer gives rise to the larger valence band barrier height for holes. Figure 15a exhibits the lateral distributions for holes in the last quantum well for LEDs A, C1, C2, C3, C4, and C5 at the current density of 170 A/cm ² . The current spreading effect is significantly improved as the AlN composition of the n-AlGaN layer increased up to 0.43. It seems that the holes cannot be further soundly spreaded when the AlN composition of the n-AlGaN layer exceeds 0.43 for our structures, because a too much high AlN composition in the n-AlGaN may block the hole injection.

een Lateral hole distribution in the last quantum well, b hole concentration profiles, and c radiative recombination rate profiles in the MQW region for LEDs A, C1, C2, C3, C4, and C5 at the current density of 170 A/cm ² . The plotted curves for panels b en c are purposely shifted by 2 nm for better resolution

The hole concentration and radiative recombination rate profiles in the MQW region for LEDs A, C1, C2, C3, C4, and C5 at the current density of 170 A/cm ² are presented in Fig. 15b, c, respectively. The data are also collected at the position of 230 μm apart from the left mesa edge. The conclusions here are similar to that for Fig. 6b, Fig. 9b and Fig. 12b, i.e., the adoption of the PNP-AlGaN current spreading layer increases the hole injection, and the hole concentration in the MQW region becomes even more improved once the AlN composition in the n-AlGaN layer increases. We then further calculate and present the EQE and the optical power density in terms of the injection current for the investigated devices in Fig. 16a. Clearly, we can see that the EQE can be improved once the PNP-AlGaN junction is employed. In addition, as the AlN composition in the n-AlGaN layer for the PNP-AlGaN junction increases, the EQE can be further promoted, thanks to the better current spreading, which homogenizes the hole concentration in each quantum well plane as has been shown previously.

een Optical output power density and EQE as a function of the injection current and b current-voltage characteristics for LEDs A, C1, C2, C3, C4, and C5

Figure 16b investigates the current-voltage characteristics for LEDs A, C1, C2, C3, C4, and C5. The device exhibits a slight increase in the forward operating voltage for LED C1 with the PNP-Al_0.40 Ga_0.60 N junction when compared to the LED A. Meanwhile, the device consumes more forward voltage for LEDs C4 and C5. The observation here is consistent with that in Fig. 7b, Fig. 10b and Fig. 13b, such that the adoption of the PNP-AlGaN junction causes the additional valence band barrier height for holes, which, as a result, increases the forward voltage and even the turn-on voltage (e.g., LEDs C4 and C5). However, it is worth mentioning that the forward operating voltage for LEDs C2 and C3 decreases when compared to LED A. The underlying mechanism is not clear at this moment. However, we tentatively attribute the reduced forward voltage for LEDs C2 and C3 to the hole acceleration effect [35].

Figure 17 shows the relationship between the WPE and the injection current density for the tested LEDs. We can get that the WPE can be enhanced for all the proposed LEDs especially when the injection current density is beyond 89 A/cm ² . Insightful study into LED C5 shows that the WPE for LED C5 is lower than that for LED A when the current density is smaller than 89 A/cm ² . Nevertheless, the WPE for LED C5 overwhelms that for LED A when the injection current density become higher (i.e.,> 89 A/cm ² ). As is well known, the current easily gets crowded when the LED device is biased at a high current level. The WPE for LED C5 reflects that the PNP-Al_0.51 Ga_0.49 N junction is indeed effective in improving the current spreading effect. However, considering the additional voltage consumption in the PNP-AlGaN junction, one shall be very careful when setting the AlN composition for the n-AlGaN layer so that the WPE can be maximized according to the inset in Fig. 17.

WPE as a function of the injection current for LEDs A, C1, C2, C3, C4, and C5. Inset figure shows the WPE and the EQE for the studied LEDs with various AlN compositions for the n-AlGaN layer at the current density of 170 A/cm ²