Ультра-эффективные AlGaN глубокие UV-светодиоды с суперрешетчатым p-блокирующим слоем для почти нулевого падения эффективности

Аннотация

Это исследование представляет почти бездропу AlGaN глубокий UV-светодиод с длиной волны 270 нм. Ключевая инновация — специально спроектированный суперрешетчатый p-тип электронно-блокирующий слой (p-EBL), обеспечивающий высокую концентрацию дыр, что улучшает внедрение дыр в множественные квантовые ямы (MQW). Повышенная плотность дыр способствует радиативной рекомбинации и подавляет утечку электронов, удваивая внешнюю квантовую эффективность (EQE) по сравнению с обычными конструкциями.

Введение

Глубокий ультрафиолет (DUV) свет в диапазоне 200–280 нм критичен для применений вроде систем водоочистки. AlGaN-базированные DUV-светодиоды привлекательны из-за низкого рабочего напряжения и совместимости с существующими архитектурами очистки. Однако достижение высокой EQE на длинах волн ниже 280 нм остается сложной. Плотности сквозных дилокаций (TDD) в Al-богатых квантовых ямах обычно порядка 10⁹ см⁻², что сильно ограничивает внутреннюю квантовую эффективность (IQE). Даже когда TDD снижается до 10⁸ см⁻², падение эффективности при токах впрыска выше 80 А/см² может снизить EQE ниже 5%. Эффективность извлечения света (LEE) для голых DUV-кристаллов всего около 10% по оценкам FDTD симуляций. Главный вклад в дроп в III-нитридных светодиодах вносит электронный перелив в p-тип слой внедрения дыр, где свободная концентрация дыр может быть всего 10¹⁷ см⁻³. Различные стратегии — вставка пиковых слоев, градирование Al-состава, добавление низко-Al AlGaN слоев — исследовались для улучшения захвата электронов, но дыр-блокирующий эффект Al-богатых p-EBL остается бутылочным горлышком для DUV-светодиодов. Суперрешетчатый p-EBL, ранее продемонстрированный для синих светодиодов, предлагает перспективный путь улучшения дырочного транспорта и снижения электронной утечки, но экспериментальных доказательств для DUV-устройств мало. Эта работа экспериментально демонстрирует, что специально спроектированный AlGaN/AlGaN суперрешетчатый p-EBL может одновременно улучшить внедрение дыр и подавить падение эффективности, достигая почти нулевого дропа и 100% увеличения EQE.

Методы/Эксперимент

Две светодиодные архитектуры (LED A и LED B, показанные на Рис. 1) выращивали на 4-мкм толстых AlN шаблонах, изготовленных на c-плоскости сапфира через гидридную паровую фазовую эпитаксию (HVPE). 20-периодная AlN/Al₀.₅₀Ga₀.₅₀N суперрешетка служила буфером для релаксации напряжений. 2-мкм толстый n-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N слой с электронной концентрацией 1 × 10¹⁸ см⁻³ обеспечивал n-контакт. Активная область состояла из пяти периодов Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N квантовых ям (3 нм) и Al₀.₅₆Ga₀.₄₄N барьеров (12 нм). 10-нм толстый AlGaN p-EBL закрывал MQW. LED A использовал объемный Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N p-EBL, тогда как LED B включил пятипериодную суперрешетку из 1-нм Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N / 1-нм Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N слоев. Этот дизайн начинает суперрешетку сразу после последнего барьера, обеспечивая отрицательный поляризационно-индуцированный поверхностный заряд на интерфейсе барьер/EBL, который обедняет электроны и снижает утечку. Последующие слои включали 50 нм p-Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N и 50 нм p-GaN, за которыми следовал 10-нм сильно Mg-допированный p⁺-GaN кап. Вейферы отжигали при 800 °C в N₂ 15 мин для активации Mg доноров, давая дырочные концентрации ~1 × 10¹⁷ см⁻³ (p-AlGaN) и ~3 × 10¹⁷ см⁻³ (p-GaN).

Устройства обрабатывали в flip-chip светодиоды с мезами 650 × 320 мкм². Ti/Al контакты осаждали на n-стороне и отжигали при 900 °C (1 мин). Ni/Au токораспределяющие слои наносили и отжигали при 550 °C (5 мин). Финальные n- и p-электроды формировали Ti/Al/Ni/Au стеки. Извлечение света измеряли интегрирующей сферой со стороны сапфира.

Численные симуляции выполнялись пакетом APSYS, включающим SRH время жизни (10 нс), Авжера коэффициент (1 × 10⁻³⁰ см⁶ с⁻¹), 50:50 соотношение смещения зон, и 40% поляризацию для [0001] ориентации. LEE устанавливали 10% для голых DUV чипов.

Результаты и обсуждение

Измеренные электролюминесцентные (EL) спектры (Рис. 2a) показывают стабильный пик ~270 нм для обоих светодиодов по тестовому току, подтверждая минимальный самонагрев. LED B демонстрирует более сильную EL интенсивность. Оптическая мощность и EQE против плотности тока (Рис. 2b) раскрывают ~90% улучшение EQE для LED B, с падением эффективности сниженным от ~24% (LED A) до ~4% (LED B) при 110 А/см². Численные результаты (Рис. 2c) близко совпадают с экспериментальными данными, валидируя модели симуляции.

Рисунок 3a показывает, что дырочные концентрации в MQW выше для LED B. Суперрешетчатый p-EBL увеличивает дырочную плотность на два порядка (Рис. 3b), снижая барьер валентной зоны и облегчая термионный дырочный транспорт. Следовательно, электронная утечка в p-тип слой подавляется, как свидетельствуют более низкие электронные концентрации в дырочно-внедряющих слоях (Рис. 3d).

Радиативные рекомбинационные скорости (Рис. 4) выше в LED B, подтверждая, что улучшенное внедрение дыр напрямую усиливает фотонгенерацию и смягчает дроп.

Энергетические диаграммы симуляций (Рис. 5) иллюстрируют, что суперрешетчатый p-EBL поднимает проводимость зоны барьера (от ~295 мэВ до ~391 мэВ) и снижает валентную зону барьера (от ~324 мэВ до ~281 мэВ), тем самым подавляя электронный побег и усиливая термионную эмиссию дыр. Сниженные барьеры также понижают прямое напряжение (Рис. 5c).

Заключение

Эта работа демонстрирует, что тщательно спроектированный AlGaN/AlGaN суперрешетчатый p-EBL позволяет одновременное усиление внедрения дыр и подавление электронной утечки в 270 нм DUV-светодиодах. Результат — 100% буст EQE и драматичное снижение падения эффективности, приближая устройства к теоретическому пределу. Выводы дают четкий путь для следующего поколения высокоэффективных DUV-эмиттеров и углубляют понимание носительской динамики в III-нитридной оптоэлектронике.

Аббревиатуры

APSYS

Advanced Physical Models of Semiconductor Devices

DUV

Глубокий ультрафиолет (светодиоды)

EL

Электролюминесценция

EQE

Внешняя квантовая эффективность

HVPE

Гидридная паровая фазовая эпитаксия

ICP

Индуктивно-связанная плазма

IQE

Внутренняя квантовая эффективность

LEE

Эффективность извлечения света

MOCVD

Металло-органическая химическая паровая депозиция

MQWs

Множественные квантовые ямы

p-EBL

p-тип электронно-блокирующий слой

TDD

Плотность сквозных дилокаций