Verhoging van AlGaN diep‑UV LED efficiëntie met chirped superlattice elektronen‑deceleratie‑lagen

Samenvatting

AlGaN‑gebaseerde diep‑ultraviolet (DUV) lichtemitterende diodes (LEDs) lijden onder elektronen‑overflow en onvoldoende gat‑injectie. In dit papier wordt een nieuwe DUV LED‑structuur met superlattice elektronen‑deceleratie‑laag (SEDL) voorgesteld om de geïnjecteerde elektronen naar het actieve gebied te vertragen en de radiatieve recombinatie te verbeteren. De effecten van verschillende chirped SEDLs op de prestaties van DUV LEDs zijn experimenteel en numeriek bestudeerd. De DUV LEDs zijn gegroeid door metaal‑organische chemische dampdepositie (MOCVD) en gefabriceerd tot 762 × 762 μm² chips, met een enkele piek‑emissie bij 275 nm. De externe kwantumefficiëntie van 3,43 % en werkspanning van 6,4 V zijn gemeten bij een voorwaartse stroom van 40 mA, wat aangeeft dat de wand‑stop‑efficiëntie 2,41 % is voor de DUV LEDs met oplopende Al‑gehalte chirped SEDL. De levensduur van de DUV LED met oplopende Al‑gehalte chirped SEDL is gemeten op meer dan 10.000 uur bij L50, dankzij de bevordering van ladingsinjectie.

Inleiding

In de afgelopen jaren hebben AlGaN‑gebaseerde diep‑ultraviolet (DUV) lichtemitterende diodes (LEDs), wier spectra toegekend worden aan UVB (320 nm–280 nm) en UVC (280 nm–100 nm), veel aandacht getrokken vanwege hun toepassingen in plantverlichting, fototherapie, waterzuivering, en lucht‑ en oppervlakte‑sterilisatie. Echter, het lichtuitgangsvermogen (LOP) van state‑of‑the‑art AlGaN‑gebaseerde DUV LEDs daalt aanzienlijk naarmate de emissiegolflengte korter wordt. Die DUV LEDs lijden onder lage interne kwantumefficiëntie (IQE), licht‑extractie‑efficiëntie (LEE), en ladingsinjectie‑efficiëntie (CIE). Over het algemeen wordt ontoereikende IQE veroorzaakt door grote dichtheid van defecten en threading‑dislocaties, terwijl onvoldoende LEE te wijten is aan de polarisatie van AlGaN‑materialen en absorptie door de niet‑transparante p‑GaN contactlaag. Verder is elektronen‑overflow de hoofdoorzaak voor de slechte CIE, wat berust op de ontoereikende gat‑densiteit en de significant ongebalanceerde mobiliteit van elektronen en gaten in AlGaN‑materialen.

Conventioneel wordt hoog‑Al‑gehalte p‑type AlGaN elektronen‑blokkeerlaag (EBL) gebruikt om elektronen‑overflow te onderdrukken. Maar slechts weinig gaten kunnen in het actieve gebied geïnjecteerd worden door de barrière in het valentieband geïntroduceerd door de EBL, en nog minder gaten kunnen de barrières van het actieve gebied kruisen en transporteren naar de kwantumputten nabij n‑type lagen vanwege de lage activerings‑efficiëntie van de Mg‑dopant en de kleine mobiliteit van gaten. Verschillende pogingen zijn gedaan om elektronen‑ en gat‑injectie te verbeteren, zoals gat‑barrière‑laag, specifiek ontworpen laatste barrière, EBL, en meervoudige kwantumput‑structuren. Niettemin is de prestatie van DUV LEDs niet substantieel verbeterd.

In dit werk hebben we een nieuwe DUV LED‑structuur met superlattice elektronen‑deceleratie‑laag (SEDL) voorgesteld om de elektroneninjectie te vertragen en de elektronen‑overflow te remmen zonder de gat‑injectie te compromitteren. We hebben de effecten van verschillende SEDLs op de prestaties van DUV LEDs experimenteel en numeriek bestudeerd. De DUV LEDs zijn gegroeid door metaal‑organische chemische dampdepositie (MOCVD) en gefabriceerd tot 762 × 762 μm² chips, met een enkele piek‑emissie bij 275 nm. De externe kwantumefficiëntie (EQE) van 3,43 % en werkspanning van 6,4 V werden gemeten bij een voorwaartse stroom van 40 mA, wat aangeeft dat de wand‑stop‑efficiëntie 2,41 % is voor de DUV LEDs met oplopende Al‑gehalte chirped SEDL. De levensduur van de DUV LED met oplopende Al‑gehalte chirped SEDL is gemeten op meer dan 10.000 uur bij L50. Verder is het mechanisme van prestatieverbetering onderzocht door theoretische simulatie. Het is geverifieerd dat chirped SEDLs in staat zijn om elektronen‑ en gat‑injectie in het actieve gebied te evenwichten, wat de radiatieve recombinatie in de eerste paar kwantumputten nabij n‑type lagen bevordert.

Methoden en experimentele sectie

Epitaxie door MOCVD

AlGaN‑gebaseerde DUV LED‑heterostructuren zijn gegroeid met een verticale koude‑wand MOCVD‑systeem. Voor de epitaxie van de hele structuur werden trimethylaluminium (TMA), trimethylgallium (TMG), en ammonia (NH₃) gebruikt als de Al, Ga, en N‑bronnen, respectievelijk. H₂ werd gebruikt als dragergas. Figuur 1a illustreert het schema voor de DUV LED‑structuur met chirped SEDL. De groei werd gestart met een 2,7‑µm‑dikke AlN, met de groeimethode met initiële AlN‑gradient‑interlaag voor groeimodus‑modificatie, dan een 3‑µm‑dikke Si‑gedopte Al₀,₆Ga₀,₄N n‑type contactlaag, waarvan de elektronenconcentratie en mobiliteit van deze n‑type laag gemeten zijn op 4,5 × 10¹⁸ cm⁻³ en 52 cm²/V·s, respectievelijk, door Hall‑systeem. Dit wordt gevolgd door de 40‑nm‑dikke ongedopte SEDL. Figuur 1b–e toont de bandstructuren van de conventionele DUV LED en drie voorgestelde DUV LED met SEDL, genaamd monsters A, B, C, en D, respectievelijk. Zoals getoond in Fig. 1c, heeft monster B een uniforme SEDL van 20‑periode homogene Al₀,₆₅Ga₀,₃₅N/Al₀,₅Ga₀,₅N superlattice. De chirped SEDLs van monsters C en D zijn samengesteld uit vier sets van 5‑periode superlattice met verschillende hoge‑Al‑gehalte lagen, namelijk 0,7, 0,65, 0,6, en 0,55, terwijl de Al‑samenstelling van lage‑Al‑gehalte lagen constant gehouden wordt op 0,5. Voor monster C zijn de Al‑samenstellingen van hoge‑Al‑gehalte lagen geleidelijk stijgend van bodem naar top, wat het tegenovergestelde is van monster D, zoals getoond in Fig. 1d en e. De diktes van elke laag voor SEDL zijn ingesteld op 1 nm constant. Het actieve gebied van DUV LEDs bestaat uit een Al₀,₆Ga₀,₄N:Si cladding‑laag voor stroomverspreiding, gevolgd door een 5‑periode meervoudige kwantumputten, met 14‑nm‑dikke Al₀,₅₇Ga₀,₄₃N barrières en 2‑nm‑dikke Al₀,₄₅Ga₀,₅₅N putten. Vervolgens werden Al₀,₇Ga₀,₃N:Mg EBL en GaN:Mg p‑type contactlaag in volgorde gegroeid. De gatconcentratie en mobiliteit van p‑GaN is gemeten op 3,6 × 10¹⁷ cm⁻³ en 15 cm²/V·s, respectievelijk, door Hall‑systeem.

Apparaatfabricage

Na de MOCVD‑groei werden DUV LEDs gefabriceerd met standaard verwerkingstechnieken. Eerst werden mesa‑structuren met vierkante en vinger‑geometrieën gevormd door droog‑etsen tot 150 nm onder de top van de Si‑gedopte Al₀,₆Ga₀,₄N n‑type contactlaag, gevolgd door een 900 °C annealing om de etsschade te herstellen. Vervolgens werd Ti/Al/Ni/Au n‑contact‑metaal‑stack gedeponeerd en geanneald bij 850 °C in stikstofatmosfeer. Daarna werd een ITO‑film verdampt en geanneald bij 250 °C voor p‑contact, gevolgd door dikke elektrode‑verdamping, passivatie‑laag‑depositie, pad‑verdamping, en stealth dicing in 762 × 762 μm² chips.

Simulatie

Om het mechanisme van prestatieverbetering van DUV LEDs te verduidelijken, werden het banddiagram, optische eigenschappen, en ladingsdragers‑transport‑kenmerken van deze structuur gesimuleerd door de Schrödinger‑vergelijking, Poisson‑vergelijking, de ladingsdragers‑transport‑vergelijkingen, en de stroom‑continuïteits‑vergelijking self‑consistent op te lossen met Crosslight APSYS (Advance Physical Model of Semiconductor Devices) programma's. De Shockley‑Read‑Hall (SRH) recombinatietijd is ingesteld op 1,5 ns voor alle lagen behalve de p‑type ingevoegde laag als 1 ns omdat de SRH‑levensduur afhangt van het dopingsniveau. De interne verlies is 2000 m⁻¹. De buigparameter b is 1 eV, en de band‑offset‑verhouding wordt aangenomen als 0,7/0,3 voor AlGaN‑materialen. De Auger‑recombinatiecoëfficiënt is ingesteld op 1 × 10⁻³⁰ cm⁶/s om het experiment te fitten. In deze simulatie worden de ingebouwde interface‑ladingen door spontane en piezo‑elektrische polarisatie berekend op basis van de methode voorgesteld door Fiorentini et al. Verder, rekening houdend met de screening door defecten, worden de oppervlakteladingsdensiteiten aangenomen als 40 % van de berekende waarden.

Resultaten en discussie

Omdat de vier monsters identieke AlN‑ en n‑type AlGaN‑templates bezitten, werden de kristallijke kwaliteiten van monsters A, B, C, en D gemeten door hoge‑resolutie Röntgen‑diffractie (HR‑XRD). Zoals getoond in Tabel 1, werden X‑ray rocking curves (XRC) langs symmetrische (002)‑vlak en asymmetrische (102)‑vlak voor beide lagen uitgevoerd. De resultaten tonen aan dat de XRC‑volle‑breedte‑halve‑maximum (FWHM) en threading‑dislocatie‑densiteit (TDD) van de vier monsters bijna hetzelfde zijn, wat aangeeft dat de kristallijke kwaliteit niet de hoofdoorzaak is voor de apparaatprestatieverbetering. Verder kon worden vastgesteld dat threading‑dislocatie‑densiteiten (TDDs) in de AlGaN‑laag hoger zijn dan die in de AlN‑laag, wat voortkwam uit gemengde kristalleigenschappen, interface‑defecten, en Si‑dopant‑verontreinigingen. Volgens het onderzoek van Ban et al. over de correlatie tussen IQE en TDD, is de IQE voor alle monsters in dit werk ongeveer 30–40 %.

Om de succesvolle groei van de nieuwe structuur te bevestigen, voerden we dwarsdoorsnede helder‑veld scanning transmissie‑elektronenmicroscopie (BF‑STEM) metingen uit voor typisch monster B als representatief, zoals getoond in Fig. 2. Het kan worden gezien dat de TDDs afnemen tijdens het hele groeiproces van de 2,7‑µm‑dikke AlN in Fig. 2a. Figuur 2b toont goede periodiciteit en bijna 1‑nm‑dikke laag in elke periode van SEDL. Verder worden vijf perioden van meervoudige kwantumputten met duidelijke interfaces herkend in Fig. 2c, waarvan barrières 14 nm en putten ongeveer 2,1 nm zijn.

Om de apparaatprestaties te onderzoeken, werden chips van DUV LED eutectisch gebond op AlN‑keramisch substraat om het verwarmingseffect te minimaliseren. Daarna werd het substraat gemonteerd op een zeshoekige aluminiumplaat door soldeerpasta. Vervolgens werden elektrische en optische metingen uitgevoerd, met behulp van ATA‑1000 Foto‑elektrische Analysesysteem uitgerust met een 30‑cm‑diameter integrerende bol. Figuur 3a toont de variaties van het lichtuitgangsvermogen (LOP) versus injectiestroom. De LOP's van monster D met oplopende Al‑gehalte SEDL zijn 6,17 mW bij 40 mA, 14,99 mW bij 100 mA, en 44,975 mW bij 360 mA, wat een factor drie keer hoger is dan die van conventioneel monster A zonder SEDL. Dit geeft aan dat SEDL gunstig is voor elektronen‑overflow‑onderdrukking en gat‑injectie. Tegelijkertijd kan lichte LOP‑verzadiging voor de vier monsters worden waargenomen bij hoge biases, wat gerelateerd is aan het verwarmingseffect en Auger‑recombinatie. De EQE tegen injectiestroom is afgebeeld in Fig. 3b. De maximale EQE is 3,43 % bij 40 mA voor monster D, terwijl de EQE piekt op slechts 1,17 % voor monster A. Tegenwoordig zijn de LOP en EQE van monster D met oplopende Al‑gehalte SEDL hoger dan die van monster B met uniforme en dalende Al‑gehalte SEDLs, wat efficiëntere radiatieve recombinatie in monster D demonstreert. De gemeten stroom‑spanning‑karakteristieken voor alle monsters worden getoond in Fig. 3c. Het kan worden herkend dat de incorporatie van SEDLs de werkspanning verhoogt van 5,13 V bij 40 mA voor monster A naar 7,09 V bij 40 mA voor monster B, door de resistiviteitstoename van de hoge Al‑samenstelling SEDL. Daarnaast kan worden gezien dat de werkspanning lager is voor monsters C en D dan voor monster B. Volgens het structuurontwerp en de transmissiemeting voor enkel‑laag monsters, is de gemiddelde Al‑samenstelling van de barrières van monster C en D SEDL 62,5 % terwijl die van monster B 65 % is. Het hogere Al‑gehalte leidt tot lagere dopings‑efficiëntie en hogere weerstand, wat resulteert in de toename van de werkspanning. Het is de moeite waard te vermelden dat de spanning van monster D 6,4 V is bij 40 mA, wat resulteert in de maximale wand‑stop‑efficiëntie (WPE) van 2,41 %. De elektroluminescentie‑spectra bij 10 mA worden getoond in Fig. 3d. De piek‑emissies van de vier monsters liggen allemaal rond 275 nm, en de trend van piek‑intensiteit is hetzelfde als LOP. Dit geeft ook aan dat de oplopende Al‑gehalte chirped SEDL beschikbaar is voor de verbetering van DUV LED‑apparaatprestaties.

Om licht te werpen op het mechanisme verantwoordelijk voor deze verbetering, werden theoretische simulaties uitgevoerd door APSYS‑programma en de resultaten worden getoond in Fig. 4. De elektronen‑stroomdichtheid en de gat‑stroomdichtheid distributies nabij het actieve gebied bij 200 mA worden berekend in Fig. 4a en b. Het kan worden gevonden dat de elektronen‑injectie‑stroomdichtheden van monsters met SEDL iets lager zijn dan die van monster A zonder SEDL, terwijl de situatie omgekeerd is voor de gat‑injectie‑stroom, wat illustreert dat SEDL in staat is om de elektronen van de n‑type AlGaN elektronen‑injectielaag te vertragen en de gat‑injectie te bevorderen. De radiatieve recombinatiesnelheden voor alle monsters werden berekend in Fig. 4c. Met de incorporatie van verschillende SEDLs is de radiatieve recombinatiesnelheid in de kwantumputten nabij de n‑type laag duidelijk toegenomen. Tegelijkertijd, van monster A naar monster D, worden de radiatieve recombinatiesnelheden in de vijf kwantumputten geleidelijk uniform, wat bijna hetzelfde is voor monster D met oplopende Al‑gehalte chirped SEDL. Dit duidt erop dat SEDL de injectie van elektronen‑ en gat‑ladingsdragers in het actieve gebied kan evenwichten en de radiatieve recombinatie in de eerste paar kwantumputten nabij n‑type lagen tegelijkertijd kan bevorderen. Als resultaat werden de IQE's voor de vier monsters gesimuleerd en geplottet in Fig. 4d. De IQE van monster D is de hoogste, wat consistent is met de EQE in Fig. 4b. Wat meer is, de efficiëntie‑dal in het monster met SEDL is duidelijk verbeterd. In het gehele injectiestroom‑bereik is de efficiëntie‑dal 70,33 %, 59,79 %, 48,93 %, en 36,26 % voor monsters A, B, C, en D, respectievelijk, gedefinieerd als efficiëntie‑dal = (IQE_max − IQE_250 mA)/IQE_max. De efficiëntie‑dal wordt doorgaans veroorzaakt door elektronen‑lekken en onvoldoende gat‑injectie. De verbetering van de efficiëntie‑dal verduidelijkt dat SEDL de ladingsdragers‑transport naar het actieve gebied kan balanceren en de radiatieve recombinatie in de kwantumputten kan bevorderen, wat uiteindelijk de apparaatprestaties verbetert.

De levensduur van de apparaten werd gemeten bij 20 mA en kamertemperatuur. Voor elk monster werden, om de nauwkeurigheid van de resultaten te garanderen, 10 chips willekeurig geselecteerd en het gemiddelde van de relatieve LOP van hen bij verschillende stresstijden afgebeeld in Fig. 5. Zoals getoond, vergeleken met monster A, is de levensduur van monsters met SEDL duidelijk verlengd. De degradatie van LED‑apparaten is deels gerelateerd aan defect‑accumulatie, ohmische geleidingskanalen, en ontoereikende ladingsinjectie. De verbetering van de levensduur verifieert verder dat SEDL de elektronen‑ en gat‑transport kan balanceren en de ladingsinjectie in het actieve gebied kan bevorderen. Verder is de gemiddelde werklevensduur voor monster D met oplopende Al‑gehalte chirped SEDL meer dan 10.000 uur bij L50, wat voldoende is voor praktische toepassing.

Conclusie

De effecten van de chirped superlattice elektronen‑deceleratie‑laag op de DUV LEDs zijn experimenteel en numeriek onderzocht. De resultaten geven aan dat chirped SEDLs in staat zijn om elektronen‑ en gat‑injectie in het actieve gebied te evenwichten, wat de radiatieve recombinatie in de eerste paar kwantumputten nabij n‑type lagen bevordert. De toename van radiatieve recombinatie leidt verder tot de verbetering van DUV LED‑apparaatprestaties. De AlGaN‑gebaseerde DUV LEDs zijn gefabriceerd tot 762 × 762 μm² chips, met een enkele piek‑emissie bij 275 nm. Externe kwantumefficiëntie van 3,43 % en werkspanning van 6,4 V zijn gemeten bij een voorwaartse stroom van 40 mA, wat demonstreert dat de wand‑stop‑efficiëntie 2,41 % is voor de DUV LEDs met oplopende Al‑gehalte chirped SEDL. De levensduur van de DUV LED met oplopende Al‑gehalte chirped SEDL is gemeten op meer dan 10.000 uur bij L50, dankzij de bevordering van ladingsinjectie. Verdere verbetering kan verwacht worden door introductie van laser lift‑off, oppervlakte‑verruwing, reflectorische elektrode, en encapsulatie. In het algemeen toont het ontworpen DUV LED met chirped SEDL bevredigende elektrische eigenschappen, gunstige optische prestaties, en wenselijke betrouwbaarheid, wat veelbelovend is voor hoge‑efficiënte waterzuivering en oppervlakte‑sterilisatie.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data en materialen in het manuscript zijn beschikbaar.

Afkortingen

APSYS:

Advance Physical Model of Semiconductor Devices

BF‑STEM:

Bright‑field scanning transmission electron microscopy (helder‑veld scanning transmissie‑elektronenmicroscopie)

CIE:

Carrier injection efficiency (ladingsinjectie‑efficiëntie)

DUV:

Deep ultraviolet (diep‑ultraviolet)

EBL:

Electron blocking layer (elektronen‑blokkeerlaag)

EQE:

External quantum efficiency (externe kwantumefficiëntie)

FWHM:

Full width at half maximum (volle breedte halve maximum)

HR‑XRD:

High‑resolution X‑ray diffraction (hoge‑resolutie Röntgen‑diffractie)

IQE:

Internal quantum efficiency (interne kwantumefficiëntie)

LED:

Light‑emitting diode (lichtemitterende diode)

LEE:

Light extraction efficiency (licht‑extractie‑efficiëntie)

LOP:

Light output power (lichtuitgangsvermogen)

MOCVD:

Metal‑organic chemical vapor deposition (metaal‑organische chemische dampdepositie)

SEDL:

Superlattice electron deceleration layer (superlattice elektronen‑deceleratie‑laag)

SRH:

Shockley‑Read‑Hall

TDD:

Threading dislocation density (threading‑dislocatie‑densiteit)

TMA:

Trimethylaluminum (trimethylaluminium)

TMG:

Trimethylgallium (trimethylgallium)

WPE:

Wall‑plug efficiency (wand‑stop‑efficiëntie)

XRC:

X‑ray rocking curve (Röntgen‑rocking‑curve)