Verbetering van Diep-Ultraviolet LED Prestaties via Lokaal Gemoduleerde NPN-AlGaN Stroomverspreidingslagen

Samenvatting

We presenteren een nieuwe strategie om stroomverspreiding in AlGaN-gebaseerde diep-ultraviolet lichtemitterende diodes (DUV LEDs) te verbeteren door een lokaal gedopte n-AlGaN/p-AlGaN/n-AlGaN (NPN-AlGaN) structuur in de elektronenleverlaag in te voegen. De dunne p-AlGaN invoeging creëert een geleidingsbandbarrière die laterale stroom in de p-type gatleverlaag herverdeelt, wat stroomverzameling mitigeert. Belangrijke parameters—Mg-dopingsniveau, p-laag dikte, AlN-samenstelling, en het aantal NPN-koppelingen—bleken de spreidingseffect kritisch te beïnvloeden. Geoptimaliseerde NPN-AlGaN lagen verbeteren optische uitgang, externe kwantumefficiëntie (EQE), en wand-stekker efficiëntie (WPE) voor DUV LEDs.

Inleiding

AlGaN-gebaseerde DUV LEDs zijn essentieel voor desinfectie, waterzuivering, medische toepassingen, en hoge-dichtheid optische opname. Recente vooruitgang in kristalkwaliteit—zoals grafeen-geassisteerde quasi-Van der Waals epitaxie van AlN op nano-gepatterneerd safier—hebben dislocatiedichtheden verlaagd en interne kwantumefficiënties (IQE) verhoogd tot 80%. Echter, DUV LEDs worden elektrisch aangedreven, waar ladingsinjectie en -transport de prestaties bepalen. Een prominente uitdaging is stroomverzameling, vooral onder hoge bias, door slechte Mg-doping efficiëntie in hoge-Al-gehalte p-AlGaN lagen en de laterale injectiegeometrie van flip-chip structuren. Stroomverspreidingsschema's gebaseerd op smalle-strook p-contacten of ITO/ZGO lagen hebben beperkt succes getoond, vaak gehinderd door interface-weerstand of onvoldoende laterale geleiding.

In dit werk verleggen we de focus van de p-kant naar de n-type elektronenleverlaag. Door het dopingsprofiel in n-AlGaN te ontwerpen om NPN-AlGaN koppelingen te vormen, genereren we gecontroleerde energiebarières die laterale stroom herverdelen, wat gat-injectie en algemene apparaatefficiëntie verbetert. Deze benadering biedt meer flexibiliteit voor epitaxiale optimalisatie terwijl direct stroomverzameling aangepakt wordt.

Onderzoeksmethoden en Fysica Modellen

De basale DUV LED structuur omvat een 4-µm-dikke n-Al₀,₆₀Ga₀,₄₀N laag gedopeerd met Si bij 5×10¹⁸ cm⁻³, gevolgd door vijf Al₀,₄₅Ga₀,₅₅N/Al₀,₅₆Ga₀,₄₄N MQWs (3 nm/12 nm). Een 18-nm Mg-gedopte p-Al₀,₆₀Ga₀,₄₀N elektronenblokkerlaag (EBL) bekroont de MQWs, opgevolgd door 50-nm Mg-gedopte p-Al₀,₄₀Ga₀,₆₀N en p-GaN lagen, elk met gatconcentraties van 3×10¹⁷ cm⁻³. Apparaten hebben een 350 × 350 µm² mesa.

Figuur 1b illustreert het geleidingsbandprofiel voor een structuur met twee NPN-AlGaN koppelingen (NPNPN-AlGaN). De verarming van de p-AlGaN invoegingen creëert verticale barrières (φ₁, φ₂) die laterale stroomverdeling afstemmen. De koppeling moet volledig verarmd zijn om in reach-through breakdown modus te opereren. Alle apparaten worden vergeleken met een referentie LED zonder NPN koppelingen.

We modelleren stroomstroom met een equivalent circuit (Fig. 2a), scheidend verticale (I₁) en horizontale (I₂) componenten. De aanwezigheid van NPN koppelings introduceert interfaceweerstand R_npn per koppeling, wat de I₁/I₂ ratio verlaagt (Eq. 3). Het verhogen van het aantal koppelingen (N) of het verhogen van R_npn—door AlN-gehalte, dikte, of Mg-doping aan te passen—bevordert laterale verspreiding verder.

Apparaatfysica gesimuleerd met Crosslight APSYS, met gevalideerde modellen voor Auger recombinatie (1×10⁻³⁰ cm⁶s⁻¹), SRH levensduur (10 ns), lichtextractie (≈ 8%), en een 50:50 band-offset voor AlGaN heterokoppelingen. Polarizatieladingen zijn ingesteld op 40% van de roostermismatch.

Resultaten en Discussies

Impact van NPN-AlGaN op Stroomverspreiding

Vergelijking van referentie LED A (geen NPN) met LED B (één NPN koppeling, 20 nm p-Al₀,₆₀Ga₀,₄₀N, Mg = 1×10¹⁸ cm⁻³) toont twee geleidingsbarrières in LED B (Fig. 3a). Deze barrières verhogen R_npn, verlagen I₁/I₂ en maken een meer uniforme laterale gatverdeling in de laatste kwantumput (LQW) mogelijk (Fig. 3b). Gevolgelijk stijgen gatconcentraties en radiatieve recombinatiesnelheden in de MQWs (Fig. 4a-b), wat vertaalt naar hogere EQE en optische vermogensdichtheid (Fig. 5a). Hoewel de voorwaartse spanning licht toeneemt (Fig. 5b), overtreft de wand-stekker efficiëntie (WPE) de referentie boven ~56 A cm⁻² (Fig. 5c), wat het voordeel van NPN-AlGaN engineering bevestigt.

Effect van AlN Samenstelling in de p-AlGaN Laag

Vijf apparaten (Cᵢ, i = 1-5) werden gefabriceerd met AlN-fracties van 0,60, 0,63, 0,66, 0,69, 0,72 in de 20-nm p-laag (Mg = 1,8×10¹⁸ cm⁻³). Hogere AlN verhoogt de geleidingsbandbarrière (Tabel 1), verhoogt R_npn en verlaagt I₁/I₂ (Eq. 3). Laterale gatprofielen (Fig. 6a) en MQW-concentraties (Fig. 6b-c) tonen progressief verbeterde uniformiteit en hogere ladingsdichtheden met groter AlN-gehalte. EQE en optische vermogensdichtheid volgen het even (Fig. 7a), terwijl voorwaartse spanning een bescheiden stijging vertoont (Fig. 7b). WPE-voordelen zijn gemaximaliseerd bij een intermediair AlN-fractie (C₂), balancerend barrièrehoogte tegen toegevoegde spanningsval (Fig. 8).

Mg Doping Invloed

Apparaten Dᵢ (i = 1-5) variëren Mg-doping in de 20-nm p-laag (3×10¹⁷ – 3×10¹⁸ cm⁻³) met AlN = 0,61. Toegenemende Mg verbreedt de verarmingsregio, verhoogt de barrière en R_npn (Tabel 2). Laterale gatverwordingen worden steeds uniformer (Fig. 9a), wat MQW-gatconcentraties en radiatieve recombinatie versterkt (Fig. 9b-c). EQE en optische vermogensdichtheid stijgen met doping (Fig. 10a), hoewel voorwaartse spanning ook toeneemt, met name bij het hoogste Mg-niveau (Fig. 10b). WPE verbetert tot Mg = 2×10¹⁸ cm⁻³ maar daalt bij de hoogste doping door overmatige spanningsval (Fig. 11).

Dikte van de p-AlGaN Invoeglaag

Series Tᵢ (i = 1-5) gebruiken 18-, 20-, 24-, 28-, en 32-nm p-lagen (AlN = 0,61, Mg = 1,5×10¹⁸ cm⁻³). Barrièrehoogtes nemen toe met dikte (Tabel 3), wat I₁/I₂ verder verlaagt en laterale verspreiding verbetert (Fig. 12a). MQW-gatconcentraties en recombinatiesnelheden stijgen overeenkomstig (Fig. 12b-c). Optische vermogen en EQE verbeteren (Fig. 13a), en voorwaartse spanning daalt aanzienlijk voor 20-, 24-, en 28-nm apparaten (Fig. 13b). Echter, de dikste laag (32 nm) toont een hogere aanlaagspanning door een parasitair N-AlGaN/P-AlGaN diode. WPE piekt bij een optimale dikte, wat de noodzaak voor zorgvuldige afstemming demonstreert (Fig. 14).

Aantal NPN-AlGaN Koppelingen

LEDs Nᵢ (i = 1-5) bevatten 1 tot 5 NPN koppelingen, elk met 20-nm p-lagen (AlN = 0,61, Mg = 1,5×10¹⁸ cm⁻³). Hoewel individuele barrièrehoogtes vergelijkbaar zijn (Tabel 4), neemt de cumulatieve barrière toe met het aantal koppelingen, wat laterale verspreiding versterkt (Fig. 15a). MQW-gatconcentraties en recombinatiesnelheden verbeteren progressief (Fig. 15b-c). EQE en optische vermogensdichtheid stijgen met koppelingaantal, maar de winst vermindert na drie koppelingen (Fig. 16a). Voorwaartse spanning daalt ten opzichte van de referentie (Fig. 16b), en WPE-voordelen zijn zichtbaar tot vijf koppelingen, hoewel het incrementele voordeel afneemt (Fig. 17).

Conclusies

Het inbedden van NPN-AlGaN koppelingen in de n-type elektronenleverlaag mitigeert effectief stroomverzameling in de p-type gatleverregio van AlGaN-gebaseerde DUV LEDs. Door AlN-samenstelling, Mg-doping, invoeglaagdikte, en koppelingaantal af te stemmen, kunnen we laterale stroom homogeniseren, gat-injectie verbeteren, en EQE en WPE verbeteren. Hoewel EQE consistent profiteert, stabiliseren WPE-winst wanneer additionele spanningsvallen van barrières het spreidingsvoordeel wegen, wat de belangrijkheid van gebalanceerd ontwerp benadrukt. Deze studie introduceert een veelzijdige, groei-vriendelijke stroomverspreidingsstrategie die de prestaties van hoogvermogen DUV LEDs bevordert.