Влияние ширины квантовых ям на электролюминесцентные свойства светодиодов AlGaN, излучающих глубокий ультрафиолетовый свет при различных температурах

Фон

Светодиоды глубокого ультрафиолета (DUV LED) на основе AlGaN могут найти широкое применение в области твердотельного освещения, медицины, биохимии и т. Д. Поэтому все больше и больше усилий уделяется улучшению качества кристаллов материалов [1,2,3,4], методам легирования p-типа и оптимизации структур устройства [5,6,7,8, 9]. Miyake et al. продемонстрировали, что качество кристаллов AlN можно значительно улучшить путем высокотемпературного отжига [3]. Увеличивая температуру роста, Sun et al. получили качественные толстые пленки AlN на сапфире [2]. Недавно Jiang et al. исследовали эволюцию дефектов при гомоэпитаксиальном росте AlN [1]. Их результаты способствовали пониманию механизма гомоэпитаксии AlN и предоставили важные методы улучшения качества кристаллов. Кроме того, было предложено множество методов для улучшения вывода света, таких как фотонные кристаллы и наноструктуры, а также поверхностный плазмон [10,11,12]. В последние десятилетия был достигнут значительный прогресс в области светодиодов этого типа, что в целом было рассмотрено Ли и др. [13]. Тем не менее, характеристики устройств все еще далеки от практического применения из-за низкой внешней квантовой эффективности. Хорошо известно, что нитриды группы III имеют структуру вюрцита, в которой большие спонтанные и пьезоэлектрические поля приводят к наклонной диаграмме зон. Эти наклонные полосы оказали большое влияние на устройства на основе нитридов III группы, такие как светодиоды, LD [14, 15] и УФ-детекторы [16, 17]. Hirayama et al. сообщили о влиянии ширины квантовой ямы на свойства фотолюминесценции (ФЛ) в светодиодных ДВ с одной квантовой ямой на основе AlGaN [18]. Они обнаружили, что светодиоды с шириной квантовой ямы 1,5–1,7 нм демонстрируют более высокую люминесценцию, а интенсивность ФЛ уменьшается при ширине квантовой ямы менее 1,5 нм, что объясняется увеличением безызлучательной рекомбинации на гетерограницах. В данной работе были изготовлены ДУФ-светодиоды с различной шириной квантовых ям (КЯ) и изучено влияние ширины КЯ и температуры на свойства электролюминесценции (ЭЛ). Мы обнаружили, что светодиоды с шириной квантовой ямы 3,5 нм показали наивысшую максимальную внешнюю квантовую эффективность (EQE). По мере снижения температуры ток для максимального EQE уменьшался для всех светодиодов, что, как предполагалось, было связано с уменьшением концентрации дырок и увеличением тока утечки электронов.

Методы

Светодиоды были выращены методом химического осаждения из газовой фазы на (0001) -сапфировой подложке с использованием буферного слоя AlN толщиной 1,0 мкм с последующим нанесением нелегированного Al _0,6 толщиной 0,5 мкм. Ga _{0,4 ​​} N и n-Al толщиной 1,0 мкм _0,6 Ga _{0,4 ​​} N шаблон. Плотность дислокаций шаблона составляет около 6 × 10 ⁹ см ^{- 2} измерено с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Тогда Al _0,49 Ga _0,51 N / Al _0,58 Ga _0,42 N множественных квантовых ям (MQW) выращивали как активные области. Толщина барьеров составляла 5,0 нм. п-Al _0,3 Ga _0,7 N (25 нм) / Al _0,6 Ga _{0,4 ​​} N (25 нм) использовался в качестве слоев p-типа. Наконец, был нанесен контактный слой p-GaN толщиной 200 нм. На основе приведенной выше структуры были выращены три образца, названные светодиодами A, B и C, с шириной квантовой ямы 2,0, 3,5 и 5,0 нм соответственно.

Квадратная геометрия 500 мкм × 500 мкм p - нет соединительные устройства были изготовлены с использованием стандартных литографических методов для определения характеристик и реактивного ионного травления для экспонирования n -Al _0,6 Ga _{0,4 ​​} N Слой омического контакта. Омические контакты n-типа из Ti / Al / Ni / Au (15/80/12/60 нм) были нанесены методом электронно-лучевого испарения и отожжены в системе быстрого термического отжига при 900 ° C в течение 30 с в атмосфере азота. Для прозрачного p -контакты, слои Ni / Au (6/12 нм) были нанесены электронно-лучевым напылением и отожжены в воздушной среде при 600 ° C в течение 3 мин. Устройство комплектовалось нанесением Ni / Au (5/60 нм) p контакт. Спектр электролюминесценции измеряли от 5 К до комнатной температуры (RT) с использованием детектора с зарядовой связью, охлаждаемого жидким азотом, Jonin Yvon's Symphony UV-Enhanced. Чтобы избежать влияния эффекта теплового нагрева [19], в измерениях электролюминесценции использовалась импульсная инжекция с импульсом тока длительностью 1 мкс при 0,5%.

Результаты и обсуждение

На рис. 1а показаны спектры электролюминесценции, измеренные при комнатной температуре (RT) для светодиодов A, B и C при постоянном токе 100 мА, в которых все спектры нормированы на межполосное излучение. Пики EL для светодиодов A, B и C были около 261, 265 и 268 нм соответственно. Очевидно, пик EL показал красное смещение при увеличении ширины квантовой ямы. Кроме того, следует отметить, что слабый паразитный пик около 304 нм существует в спектре электролюминесценции светодиода A, который, как выяснилось, связан с переполнением электронов [20]. На рисунке 1b показан относительный эквалайзер в зависимости от импульсного тока для всех светодиодов. Все значения были нормализованы к максимальному эквалайзеру светодиода B. Максимальный эквалайзер светодиода B был примерно в 6,8 и 4,8 раза больше, чем у светодиодов A и C, соответственно.

а Спектры ВТЭЛ светодиодов A, B и C при постоянном токе 100 мА. Все спектры нормированы на межполосное излучение. б Относительный EQE как функция импульсного тока

Чтобы понять причину, APSYS использовался для моделирования уровней энергии и волновых функций носителей. На рис. 2a – c показаны зонные структуры, уровень основного состояния и волновые функции несущих в одной квантовой яме при токе 100 мА для светодиодов A, B и C соответственно. Из-за большого внутреннего поля, индуцированного эффектом поляризации и приложенного прямого смещения, зонная структура квантовой ямы имела наклонную форму, и пространственное перекрытие волновых функций электронов и дырок стало меньше по мере увеличения ширины квантовой ямы из-за квантово-ограниченного пространства. Эффект Штарка (QCSE). Энергетическая щель основных состояний для светодиодов A, B и C составляла 4,733, 4,669 и 4,637 эВ соответственно, что хорошо совпадало с длиной волны излучения, как показано на рис. 1а. Кроме того, следует отметить, что ограниченная способность носителей квантовыми ямами уменьшалась с уменьшением ширины квантовой ямы. Эффект размерного квантования привел к увеличению уровня основного состояния при уменьшении ширины квантовой ямы. Значения высоты барьера составляли 0,030, 0,057 и 0,069 эВ для светодиодов A, B и C соответственно. Следовательно, EQE светодиода A был меньше, чем у светодиода B из-за переполнения электронного тока, что может быть подтверждено очевидным паразитным пиком, показанным на рис. 1a. Хотя светодиод C имел самый высокий барьер для электронного переполнения во всех устройствах, его EQE все еще был меньше, чем у светодиода B из-за QCSE.

Зонная структура, уровень основного состояния и волновые функции несущей в одной квантовой яме при токе 100 мА для ( a ) Светодиод A, ( b ) Светодиод B и ( c ) Светодиод C

EQE при низкой температуре был измерен для оценки производительности устройства. На рисунке 3a показан относительный EQE, измеренный при 5 K. Все значения были нормализованы к максимальному EQE светодиода B. Очевидно, инжекционный ток для максимального EQE значительно снизился по сравнению с таковыми при RT для всех устройств. Максимальный EQE светодиода B был примерно в 8,2 и 1,6 раза больше, чем у светодиодов A и C, соответственно. EQE, зависящий от тока, измеряли при различных температурах. На рисунке 3b показан зависимый от тока относительный EQE при различной температуре для светодиода B. Все значения были нормализованы к максимальному EQE при 10 К. Можно видеть, что ток для максимального EQE уменьшался с понижением температуры. Такое же явление было обнаружено для всех трех светодиодов. Было хорошо известно, что в объемных материалах концентрация дырок будет быстро уменьшаться с понижением температуры из-за высокой энергии ионизации Mg в p-AlGaN. В нашей структуре было продемонстрировано, что концентрация дырок также уменьшалась с понижением температуры [21]. Мы также смоделировали распределение дырок при разной температуре. На рис. 4 показаны концентрации дырок в активной области при 100 и 300 K для светодиода B при вводе 100 мА. Очевидно, концентрация дырок уменьшалась с понижением температуры. Кроме того, электронный ток, истекающий из квантовых ям, можно выразить как [22].

а Относительный EQE при 5 К и ( b ) зависящий от тока относительный EQE при разной температуре для светодиода B

Концентрации дырок в активной области при 100 и 300 К для светодиода B при токе 100 мА

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

где D постоянная, Δ E - разность уровня Ферми и края зоны квантовых ям, K постоянная Больцмана, T это температура, q - заряд электрона, B - коэффициент бимолекулярной излучательной рекомбинации, а l - толщина МКЯ. Для определенного светодиода вклад изменения Δ E кому: J _{переполнение} можно пренебречь по сравнению с T по мере понижения температуры. Следовательно, J _{переполнение} значительно увеличился при 5 K по сравнению с RT, что считалось основной причиной уменьшения тока впрыска, при котором достигался максимальный EQE. J _{переполнение} уменьшается с увеличением температуры, что приводит к увеличению тока инжекции для максимального EQE, как показано на рис. 3b. При низкой температуре внутренний КПД увеличивался бы из-за вымерзания безызлучательных центров, таких как дислокации, что было выгодно для светодиода C с наибольшим объемом активной области. Это была наиболее вероятная причина, по которой соотношение EQE светодиода B и светодиода C уменьшилось при 5 K по сравнению с таковым при RT. Точно так же соотношение EQE светодиода B к светодиоду A увеличилось при 5 K по сравнению с таковым при RT.

Выводы

Мы исследовали влияние ширины квантовой ямы на ЭЛ свойства светодиодов AlGaN DUV при различных температурах. Спектры ЭЛ показали красное смещение при увеличении ширины квантовой ямы. Максимальный EQE для светодиода с шириной квантовой ямы 3,5 нм был примерно в 6,8 и 4,8 раза больше, чем у 2 и 5 нм при комнатной температуре, соответственно. Однако эти значения изменились на 8,2 и 1,6 при 5 К соответственно. Различные изменения максимальных соотношений EQE объяснялись уменьшением безызлучательной рекомбинации и увеличением объема активной области. Исходя из теоретического анализа, светодиод с ямами размером 2 нм показал самый мелкий барьер для выхода электронов из-за квантово-ограниченного эффекта, тогда как светодиод с ямами 5 нм показал наименьшее перекрытие электронов и дырок из-за большого внутреннего поля. Таким образом, светодиод с 3,5 нм квантовыми ямами показал самый высокий максимум EQE. С понижением температуры ток для максимального EQE уменьшался для всех светодиодов, что, как полагали, было связано с увеличением количества электронов, выходящих за пределы квантовых ям, и уменьшением концентрации дырок. Максимальный EQE для светодиода с шириной квантовой ямы 3,5 нм был примерно в 8,2 и 1,6 раза больше, чем у 2 и 5 нм при 5 К, соответственно, что, как полагали, связано с уменьшением центров безызлучательной рекомбинации и увеличением объема. активной области.

Сокращения

Светодиоды DUV:

Светодиоды глубокого ультрафиолета

EL:

Электролюминесценция

EQE:

Внешняя квантовая эффективность

MQW:

Множественная квантовая яма

PL:

Фотолюминесценция

QCSE:

Квантово-ограниченный эффект Штарка

QW:

Квантовая яма

RT:

Комнатная температура