Invloed van de breedte van de kwantumput op de elektroluminescentie-eigenschappen van AlGaN Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes bij verschillende temperaturen

Abstract

De invloed van de kwantumbronbreedte (QW) op de elektroluminescentie-eigenschappen van AlGaN diepe ultraviolette lichtgevende diodes (DUV LED's) werd bestudeerd bij verschillende temperaturen. De maximale externe kwantumefficiëntie (EQE)-verhoudingen van LED met 3,5 nm QW tot die met 2 nm namen toe van 6,8 bij kamertemperatuur (RT) tot 8,2 bij 5 K. De verhoudingen voor LED met 3,5 nm QW tot die met 5 nm QW nam af van 4,8 bij kamertemperatuur tot 1,6 bij 5 K. De verschillende veranderingen in EQE-verhoudingen werden toegeschreven aan de afname van niet-stralingsrecombinatie en de toename van het volume van het actieve gebied. Uit theoretische analyse bleek dat de LED met 2-nm putten een ondiepste barrière voor elektronenoverloop had vanwege het kwantumbegrensde effect, terwijl de LED met 5-nm putten de minste overlap van elektron en gat vertoonde vanwege het grote interne veld. Daarom had de LED met 3,5 nm QW de hoogste maximale EQE bij dezelfde temperatuur. Naarmate de temperatuur daalde, nam de stroom voor maximale EQE af voor alle LED's, wat vermoedelijk te wijten was aan de toename van elektronen die uit QW's stroomden en de afname van de gatenconcentratie. De resultaten waren nuttig voor het begrijpen van de combinatie van polarisatie-effect en elektronenoverloop in DUV-leds.

Achtergrond

Op AlGaN gebaseerde diepe ultraviolette lichtgevende diodes (DUV-LED's) kunnen op grote schaal worden gebruikt op het gebied van halfgeleiderverlichting, medicijnen, biochemie, enzovoort. Daarom zijn er steeds meer inspanningen geleverd om de kristalkwaliteit van de materialen [1,2,3,4], de p-type dopingtechnieken en de optimalisatie van de apparaatstructuren [5,6,7,8, 9]. Miyake et al. toonde aan dat de AlN-kristalkwaliteit aanzienlijk kan worden verbeterd door gloeien bij hoge temperatuur [3]. Door de groeitemperatuur te verhogen, hebben Sun et al. verkregen hoogwaardige AlN dikke films op saffier [2]. Onlangs hebben Jiang et al. bestudeerde de defectevolutie in AlN homoepitaxiale groei [1]. Hun resultaten droegen bij aan het begrip van het AlN-homo-epitaxiemechanisme en verschaften de kritische technieken voor het verbeteren van de kristalkwaliteit. Daarnaast zijn er veel methoden voorgesteld om de lichtextractie te verbeteren, zoals fotonische kristallen en nanostructuren en oppervlakteplasmon [10,11,12]. In de afgelopen decennia is er een grote vooruitgang geboekt voor dit soort LED, dat globaal werd beoordeeld door Li et al. [13]. Desalniettemin zijn de prestaties van de apparaten nog ver verwijderd van de praktische toepassing vanwege de lage externe kwantumefficiëntie. Het is algemeen bekend dat nitriden van groep III wurtzietstructuren hebben, waarin de grote spontane en piëzo-elektrische velden zullen resulteren in het gekantelde banddiagram. Deze gekantelde banden hadden grote invloed op op nitride gebaseerde apparaten uit groep III, zoals LED-, LD- [14, 15] en UV-detectoren [16, 17]. Hirayama et al. rapporteerde de invloed van quantum-well (QW) breedte op de fotoluminescentie (PL) eigenschappen in AlGaN-gebaseerde single-QW DV-LED's [18]. Ze ontdekten dat de LED's met een QW-breedte van 1,5-1,7 nm een hogere luminescentie vertoonden en dat de PL-intensiteit afnam wanneer de QW-breedte minder dan 1,5 nm was, wat werd toegeschreven aan een toename van niet-stralingsrecombinatie op de hetero-interfaces. In dit werk hebben we DUV-LED's gefabriceerd met verschillende quantum-well (QW) -breedten en de invloed van de QW-breedte en temperatuur op de elektroluminescentie (EL) -eigenschappen bestudeerd. We ontdekten dat de LED's met een QW-breedte van 3,5 nm de hoogste maximale externe kwantumefficiëntie (EQE) vertoonden. Naarmate de temperatuur daalde, nam de stroom voor de maximale EQE af voor alle LED's, wat vermoedelijk te wijten was aan de afname van de gatenconcentratie en de toename van de overstroomde elektronenstroom.

Methoden

De LED's werden gekweekt door metaal-organische chemische dampafzetting op (0001)-saffiersubstraat met behulp van een 1,0 μm AlN-bufferlaag gevolgd door een 0,5 μm dikke ongedoteerde Al_0,6 Ga_0,4 N en een 1,0 µm dik n-Al_0,6 Ga_0,4 N-sjabloon. De dislocatiedichtheid van de sjabloon is ongeveer 6 × 10⁹ cm^− 2 gemeten met transmissie-elektronenmicroscopie. Dan Al_0,49 Ga_0,51 N/Al_0,58 Ga_0,42 N meerdere QW's (MQW's) werden gekweekt als actieve regio's. De dikte van de barrières was 5,0 nm. p-Al_0.3 Ga_0,7 N (25 nm)/Al_0.6 Ga_0,4 N (25 nm) werd gebruikt als p-type lagen. Ten slotte werd een p-GaN-contactlaag van 200 nm afgezet. Op basis van de bovenstaande structuur werden drie monsters, genaamd LED's A, B en C, gekweekt met een QW-breedte van respectievelijk 2,0, 3,5 en 5,0 nm.

500 μm × 500 μm vierkante geometrie p -n verbindingselementen werden vervaardigd met behulp van standaard lithografische technieken om het kenmerk te definiëren en reactieve ionenetsing om de n bloot te leggen -Al_0.6 Ga_0,4 N Ohms-contactlaag. Ohmse contacten van het n-type van Ti/Al/Ni/Au (15/80/12/60 nm) werden afgezet door elektronenstraalverdamping en uitgegloeid met een snel thermisch gloeisysteem bij 900 ° C gedurende 30 seconden in een stikstofomgeving. Voor transparante p -contacten werden Ni/Au (6/12 nm) lagen met een elektronenstraal afgezet en gedurende 3 minuten in een luchtomgeving bij 600 ° C uitgegloeid. Het apparaat werd voltooid met de afzetting van Ni/Au (5/60 nm) p contact. Het EL-spectrum werd gemeten van 5 K tot kamertemperatuur (RT) met behulp van Jonin Yvon's Symphony UV-versterkte vloeibare stikstofgekoelde ladinggekoppelde apparaatdetector. Om de invloed van het thermische verwarmingseffect [19] te vermijden, werd de pulsinjectie met 1 μs stroompuls van 0,5% gebruikt in de EL-metingen.

Resultaten en discussie

Figuur 1a toont de EL-spectra gemeten bij kamertemperatuur (RT) voor LED's A, B en C onder gelijkstroom van 100 mA, waarbij alle spectra werden genormaliseerd naar de band-naar-band-emissie. De EL-pieken voor LED's A, B en C waren respectievelijk rond de 261, 265 en 268 nm. Het is duidelijk dat de EL-piek een roodverschuiving vertoonde naarmate de QW-breedte toenam. Bovendien moet worden opgemerkt dat er een zwakke parasitaire piek rond 304 nm bestond in het EL-spectrum in LED A, waarvan werd vastgesteld dat deze verband hield met elektronenoverloop [20]. Figuur 1b toont de relatieve EQE als functie van de pulsstroom voor alle LED's. Alle waarden zijn genormaliseerd naar de maximale EQE van LED B. De maximale EQE van LED B was respectievelijk ongeveer 6,8 en 4,8 keer dan die van LED's A en C.

een De RT EL-spectra voor LED's A, B en C onder gelijkstroom van 100 mA. Alle spectra werden genormaliseerd naar de band-naar-band emissie. b De relatieve EQE als functie van de pulsstroom

Om de reden te begrijpen, werd APSYS gebruikt om de energieniveaus en golffuncties van dragers te simuleren. Figuur 2a-c toont de bandstructuren, het grondtoestandniveau en de draaggolffuncties in één QW onder een stroom van 100 mA voor respectievelijk LED's A, B en C. Vanwege het grote interne veld veroorzaakt door het polarisatie-effect en de toegepaste voorwaartse bias, vertoonde de bandstructuur van QW een hellende vorm en de ruimtelijke overlapping van golffuncties van elektronen en gaten werd minder naarmate de QW-breedte toenam als gevolg van de kwantumbegrensde Grimmig effect (QCSE). De energiekloof van de grondtoestanden voor LED's A, B en C waren respectievelijk 4,733, 4,669 en 4,637 eV, wat goed samenviel met de emissiegolflengte zoals weergegeven in figuur 1a. Bovendien moet worden opgemerkt dat het beperkte vermogen van dragers door de QW's afnam naarmate de QW-breedte kleiner werd. Het kwantumbeperkte effect resulteerde in een toename van het grondtoestandniveau naarmate de QW-breedte afnam. De waarden van de barrièrehoogte waren respectievelijk 0,030, 0,057 en 0,069 eV voor LED's A, B en C. Daarom was de EQE van LED A minder dan die van LED B vanwege de overloop van de elektronenstroom, wat kon worden bevestigd door de voor de hand liggende parasitaire piek getoond in figuur 1a. Hoewel LED C de hoogste barrière had voor elektronenoverloop in alle apparaten, was de EQE nog steeds minder dan die van LED B vanwege de QCSE.

De bandstructuur, het grondtoestandniveau en de draaggolffuncties in één QW onder stroom van 100 mA voor (a ) LED A, (b ) LED B, en (c ) LED C

De EQE bij lage temperatuur werd gemeten om de prestaties van het apparaat te evalueren. Afbeelding 3a toont de relatieve EQE gemeten bij 5 K. Alle waarden werden genormaliseerd naar de maximale EQE van LED B. Het is duidelijk dat de injectiestroom voor de maximale EQE aanzienlijk daalde in vergelijking met die bij RT voor alle apparaten. De maximale EQE van LED B was respectievelijk ongeveer 8,2 en 1,6 keer die van LED's A en C. De stroomafhankelijke EQE werden gemeten bij verschillende temperaturen. Figuur 3b toont de stroomafhankelijke relatieve EQE bij verschillende temperaturen voor LED B. Alle waarden werden genormaliseerd naar de maximale EQE bij 10 K. Het is te zien dat de stroom voor de maximale EQE afnam naarmate de temperatuur daalde. Hetzelfde fenomeen werd gevonden voor alle drie de LED's. Het was algemeen bekend dat in bulkmaterialen de gatenconcentratie snel zou afnemen bij afnemende temperatuur vanwege de hoge ionisatie-energie van Mg in p-AlGaN. In onze structuur werd aangetoond dat de gatenconcentratie ook afnam naarmate de temperatuur daalde [21]. We hebben ook de gatenverdeling bij verschillende temperaturen gesimuleerd. Figuur 4 toont de gatenconcentraties in het actieve gebied bij 100 en 300 K voor LED B onder de injectie van 100 mA. Het is duidelijk dat de gatenconcentratie afnam naarmate de temperatuur daalde. Bovendien kan de elektronenstroom die uit QW's stroomt, worden uitgedrukt als [22].

een De relatieve EQE bij 5 K en (b ) de stroomafhankelijke relatieve EQE bij verschillende temperatuur voor LED B

De gatenconcentraties in het actieve gebied bij 100 en 300 K voor LED B onder de injectie van 100 mA

\( {J}_{\mathrm{overflow}}=D{\left(\frac{\Delta E}{kT}\right)}^3 qBl \)

waar D is een constante, ΔE is het verschil tussen Fermi-niveau en bandrand van kwantumputten, K is de Boltzmann-constante, T is de temperatuur, q is de elektronenlading, B is de bimoleculaire stralingsrecombinatiecoëfficiënt, en l is de dikte van MQW's. Voor een bepaalde LED is de bijdrage van variatie van ΔE naar J _overloop kan worden verwaarloosd vergeleken met die van T naarmate de temperatuur daalde. Daarom is de J _overloop nam significant toe bij 5 K in vergelijking met die van RT, waarvan werd aangenomen dat dit de belangrijkste reden was voor de afname van de injectiestroom waarbij de maximale EQE werd bereikt. De J _overloop nam af naarmate de temperatuur toenam, resulterend in de toename van de injectiestroom voor de maximale EQE, zoals weergegeven in figuur 3b. Bij lage temperatuur zou de interne efficiëntie toenemen als gevolg van het bevriezen van niet-stralingscentra, zoals de dislocaties, wat gunstig was voor LED C met het grootste volume van het actieve gebied. Dit was de meest mogelijke reden waarom de EQE-verhouding van LED B tot LED C afnam bij 5 K in vergelijking met die bij RT. Evenzo nam de EQE-verhouding van LED B tot LED A toe bij 5 K in vergelijking met die bij RT.

Conclusies

We hebben de invloed van de QW-breedte op de EL-eigenschappen van AlGaN DUV-leds bij verschillende temperaturen bestudeerd. De EL-spectra vertoonden een roodverschuiving naarmate de QW-breedte toenam. De maximale EQE voor LED met een QW-breedte van 3,5 nm was respectievelijk ongeveer 6,8 en 4,8 keer dan die van 2 en 5 nm bij RT. Deze waarden zijn echter gewijzigd in respectievelijk 8,2 en 1,6 bij 5 K. De verschillende veranderingen van maximale EQE-verhoudingen werden toegeschreven aan de afname van niet-stralingsrecombinatie en de toename van het volume van het actieve gebied. Uit de theoretische analyse bleek dat de LED met 2-nm-putjes een ondiepste barrière voor elektronenoverloop vertoonde vanwege het kwantumbeperkende effect, terwijl de LED met 5-nm-putten de minste overlap van elektron en gat vertoonde vanwege het grote interne veld. Daarom vertoonde de LED met 3,5 nm QW's de hoogste maximale EQE. Naarmate de temperatuur daalde, nam de stroom voor de maximale EQE af voor alle LED's, waarvan werd aangenomen dat dit het gevolg was van de toename van elektronen die uit QW's stroomden en de afname van de gatenconcentratie. De maximale EQE voor LED met een QW-breedte van 3,5 nm was ongeveer 8,2 en 1,6 keer die van respectievelijk 2 en 5 nm bij 5 K, wat vermoedelijk te wijten was aan de afname van niet-stralingsrecombinatiecentra en de toename van het volume van actieve regio.

Afkortingen

DUV-LED's:: Diepe ultraviolette lichtgevende diodes
EL:: Elektroluminescentie
EQE:: Externe kwantumefficiëntie
MQW:: Meerdere kwantumbronnen
PL:: Fotoluminescentie
QCSE:: Quantum-beperkt Stark-effect
QW:: Kwantumbron
RT:: Kamertemperatuur

Optische eigenschappen en detectieprestaties van Au/SiO2-driehoeken Arrays op reflectie-au-laag Atomic Force Microscopie-gebaseerde nanoscopie van chondrogeen differentiërende menselijke vet-afgeleide stamcellen:nanostructuur en integrine β1-expressie

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal