Verbeterde Stroomverspreiding in AlGaN-gebaseerde Diep-UV LEDs via PNP-AlGaN Structuren

Samenvatting

We onderzoeken AlGaN-gebaseerde diep-ultraviolet lichtemitterende diodes (DUV LEDs) die een p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN (PNP-AlGaN) stroomverspreidingslaag incorporeren. De PNP-AlGaN structuur introduceert een valentiebandbarrière die laterale stroomstroom herschikt, waardoor de voorwaartsspanning, externe kwantumefficiëntie (EQE), optische vermogen, en wandstoppefficiëntie (WPE) verbeteren vergeleken met conventionele DUV LEDs zonder deze functie.

Inleiding

Sinds hun eerste demonstratie in 2003, zijn AlGaN-gebaseerde DUV LEDs uitgegroeid tot sleutelcomponenten voor watersterilisatie, luchtzuivering, en andere UV-toepassingen. Toch, als emissiegolflengtes onder de 300 nm vallen, blijft EQE typisch onder 10 %, voornamelijk door beperkte interne kwantumefficiëntie (IQE) bestuurd door ladingsinjectie en dislocatie-gemedieerde recombinatie. Veel DUV apparaten worden gefabriceerd op safier met een flip-chip architectuur om lichtextractie te verbeteren, maar dit vereist zowel n- als p-elektroden aan dezelfde kant, wat non-uniforme laterale stroomdichtheid en het beruchte stroomverstoppings-effect induceert. Stroomverstopping kan lokale Joule-verhitting en oneven lichtoutput genereren, wat de levensduur van het apparaat verkort. Slecht Mg-doping-efficiëntie in Al-rijke p-AlGaN belemmert de elektrische geleidbaarheid verder, wat de noodzaak voor verbeterde stroomverspreiding benadrukt.

Terwijl verschillende strategieën — selectieve ionimplantatie, stroomblokkerende lagen, stikstof-vacature-engineering, en geoptimaliseerde ohmische contacten — met succes stroomverstopping in GaN-gebaseerde blauwe LEDs hebben gemitigeerd, zijn analoge oplossingen voor DUV LEDs schaars. Hier stellen we een p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN (PNP-AlGaN) stroomverspreidingslaag voor die een valentiebandbarrière genereert, de resistiviteit van de p-type gat-injectielaag moduleert en laterale stroomstroom stuurt. Door het PNP-AlGaN ontwerp te optimaliseren, demonstreren we significante winsten in EQE, WPE, en verlaagde voorwaartsspanning. We voeren ook een uitgebreide parametrische studie uit naar de impact van het PNP-lusnummer, Si-doping, laagdikte, en AlN-samenstelling op apparaatprestaties.

Onderzoeksmethoden en Fysica Modellen

Alle gesimuleerde apparaten bestaan uit een 4-µm-dikke n-Al_0,60Ga_0,40N basis (Si 5 × 10¹⁸ cm⁻³), gevolgd door vijf perioden van 3-nm Al_0,45Ga_0,55N/12-nm Al_0,56Ga_0,44N meervoudige quantum putten (MQW's). De MQW's worden afgekapt met een 18-nm p-Al_0,60Ga_0,40N elektronenblokkerende laag (EBL), een 198-nm p-Al_0,40Ga_0,60N laag, en een 50-nm p-GaN kap. Gatconcentraties worden ingesteld op 3 × 10¹⁷ cm⁻³ doorheen. Voor de PNP-AlGaN apparaten wordt de conventionele p-Al_0,40Ga_0,60N laag vervangen door een p-Al_0,40Ga_0,60N/n-Al_xGa_1-xN/p-Al_0,40Ga_0,60N stapel, zoals getoond in Fig. 1b. De n-Al_xGa_1-xN insert is Si-gedopeerd (5,3 × 10¹⁷ cm⁻³) en 20-nm dik, wat een valentiebandbarrière creëert die laterale stroom vormt (Fig. 1c).

Om het mechanisme te illustreren, modelleren we de DUV LED op safier als een equivalent circuit (Fig. 2a). Met een dunne stroomverspreidingslaag (≈200 nm) en een dikke n-AlGaN injectielaag (≈4 µm), daalt de laterale stroomdichtheid van de p-elektroede naar buiten, wat stroomverstopping produceert. Het introduceren van PNP-AlGaN splitst de totale stroom in een verticale component (J₁) en een horizontale component (J₂) zoals afgebeeld in Fig. 2b. De relatie volgt

$$\frac{J_1}{J_2}\approx\frac{l}{\frac{\rho_p}{\rho_{\mathrm{CL}}}t_p+\frac{N\cdot\rho_{\mathrm{PNP}}}{\rho_{\mathrm{CL}}}}$$

waarbij ρ_p de p-laag resistiviteit is, ρ_CL de verspreidingslaag resistiviteit, ρ_PNP de interfaciale resistiviteit van elk PNP-knooppunt, en N het knooppuntaantal. Deze expressie toont aan dat het verminderen van ρ_CL of het verhogen van ρ_PNP (via dikker of zwaarder gedopeerde n-AlGaN) de horizontale stroom J₂ verbetert, wat de verspreiding verbetert.

Apparaatfysica wordt gesimuleerd met APSYS, gebruikmakend van een 50:50 geleidings-/valentieband offset verhouding voor AlGaN/AlGaN heterojuncties, 40 % polarisatielading, Auger coëfficiënt 1,0 × 10⁻³⁰ cm⁶/s, SRH levensduur 10 ns, en een 8 % lichtextractie-efficiëntie voor DUV LEDs.

Resultaten en Discussies

Effectiviteit van de PNP-AlGaN Knooppunt

Door de referentie LED A (geen PNP-AlGaN) te vergelijken met LED B (twee PNP-AlGaN lussen), observeren we dat gaten twee valentiebandbarrières tegenkomen voordat ze de MQW's bereiken, wat laterale homogenisatie bevordert (Fig. 3a). De laterale gatdistributie in de laatste quantum put (LQW) bevestigt een uniformer profiel voor LED B (Fig. 3b), in lijn met de energiebandanalyse.

Gatconcentratie en stralende recombinatieprofielen op 230 µm van de mesa-rand onthullen dat LED B profiteert van hogere gatinjectie in de MQW's, wat leidt tot een 22,2 % EQE toename (3,38 % → 4,13 %) en een lichte stijging in voorwaartsspanning (Fig. 5b). Ondanks dit, verbetert de wandstoppefficiëntie (WPE) van 3,56 % tot 4,27 % (Fig. 5c). Een duidelijke spanningsval over de PNP-AlGaN knooppunt verklaart de waargenomen WPE-daling bij hoge stroomdichtheden (Fig. 8).

Optimaliseren van n-AlGaN Dikte

Door de 20-nm n-AlGaN insert te variëren van 6 tot 34 nm, verhogen we systematisch de valentiebandbarrièrehoogte (Tabel 1). Verbeterde barrières verhogen de interfaciale resistiviteit (ρ_PNP), wat meer laterale stroom drijft en gaten uniform verdeelt over de LQW (Fig. 6a).overeenkomstig stijgen gatconcentratie en stralende recombinatie in de MQW's, wat EQE en optisch vermogen verhoogt (Fig. 7a). Echter, de voorwaartsspanning klimt met barrièrehoogte, en WPE piekt bij een 20-nm insert voor het dalen voor dikker lagen (Fig. 8). Deze resultaten benadrukken de afweging tussen verspreidingsvoordeel en additionele spanningsval, wat de optimale insertiedikte begeleidt.

Invloed van n-AlGaN Doping

Het verhogen van Si-doping van 1,3 × 10¹⁷ tot 1,73 × 10¹⁸ cm⁻³ in de 20-nm n-AlGaN laag verhoogt de valentiebandbarrière (Tabel 2), wat horizontale stroom verbetert en gatdistributie homogeniseert (Fig. 9a). De resulterende hogere gatconcentratie in de MQW's leidt tot verbeterde stralende recombinatie en EQE (Fig. 10a). Echter, de voorwaartsspanning stijgt scherp boven 1,33 × 10¹⁸ cm⁻³, wat een parasitaire diode-effect aangeeft, en de WPE daalt naarmate spanningsverbruik domineert (Fig. 11).

Effect van PNP-AlGaN Knooppunt Aantal

Met vaste 20-nm, 5,3 × 10¹⁷ cm⁻³ n-AlGaN en AlN = 0,40, vergelijken we apparaten met 1 tot 4 PNP-AlGaN lussen (LEDs N1–N4). Meer lussen verhogen de cumulatieve barrière (Tabel 3), wat de laterale gatdistributie verder uitvlakt (Fig. 12a) en gatconcentratie en stralende recombinatie verhoogt (Fig. 12b,c). EQE en uitgangsvermogen stijgen met lusaantal, terwijl de voorwaartsspanning matig toeneemt (Fig. 13b). WPE blijft stabiel, en zowel EQE als WPE verzadigen na vier lussen, wat afnemende opbrengsten aangeeft wanneer de p-laag te dun wordt om voldoende gaten te leveren.

AlN Samenstelling in n-AlGaN

Het variëren van de AlN-fractie in de 20-nm n-AlGaN van 0,40 tot 0,51 verhoogt de valentiebandbarrière (Tabel 4). Een matige toename tot 0,43 optimaliseert stroomverspreiding zonder gatinjectie excessief te blokkeren. Bij hogere fracties wordt de barrière te groot, wat gatpenetratie vermindert (Fig. 15a,b). EQE verbetert met samenstelling tot 0,43, terwijl de voorwaartsspanning klimt met hogere AlN-fracties (Fig. 16b). WPE bereikt een maximum bij 0,51 voor stromen boven 89 A/cm², wat de noodzaak illustreert om verspreiding te balanceren tegen spanningsboete (Fig. 17).

Conclusies

De studie toont aan dat een p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN (PNP-AlGaN) knooppunt effectief stroomverspreiding verbetert in AlGaN-gebaseerde DUV LEDs. Door de insertiedikte, Si-doping, AlN-samenstelling, en knooppuntaantal af te stemmen, wordt de verticale weerstand verhoogd terwijl de horizontale stroom verbeterd, wat leidt tot hogere EQE en WPE. Echter, excessieve barrièrehoogte of te veel knooppunten verhogen de voorwaartsspanning en kunnen WPE verminderen. Daarom is een gebalanceerd ontwerp — het optimaliseren van alle vier parameters — essentieel voor het maximaliseren van apparaatefficiëntie.