Улучшенное распределение тока в AlGaN-основанных глубоких УФ-светодиодах через PNP-AlGaN структуры

Аннотация

Мы исследуем AlGaN-основанные глубокие ультрафиолетовые светодиоды (DUV LED) с p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN (PNP-AlGaN) слоем распределения тока. PNP-AlGaN структура вводит барьер валентной зоны, перестраивающий боковой ток, тем самым улучшая прямое напряжение, внешнюю квантовую эффективность (EQE), оптическую мощность и коэффициент полезного действия (WPE) по сравнению с обычными DUV LED без этой особенности.

Введение

С их первой демонстрации в 2003 году AlGaN-основанные DUV LED стали ключевыми компонентами для стерилизации воды, очистки воздуха и других УФ-приложений. Тем не менее, когда длины волн эмиссии падают ниже 300 нм, EQE обычно остаётся под 10%, в основном из-за ограниченной внутренней квантовой эффективности (IQE), управляемой инъекцией носителей и дилокационно-опосредованной рекомбинацией. Многие DUV устройства фабрикуются на сапфире с архитектурой flip-chip для улучшения извлечения света, но это требует n- и p-электродов с одной стороны, что индуцирует неравномерную боковую плотность тока и известный эффект текучего течения. Текучее течение может генерировать локальное джоулево нагревание и неравномерный световой выход, сокращая срок службы устройства. Низкая эффективность Mg-лeгирования в Al-богатом p-AlGaN дополнительно затрудняет электрическую проводимость, подчёркивая потребность в улучшенном распределении тока.

Хотя различные стратегии — селективная ионная имплантация, токо-блокирующие слои, инженерия азотных вакансий и оптимизированные омические контакты — успешно смягчали текучее течение в GaN-основанных синих LED, аналогичные решения для DUV LED редки. Здесь мы предлагаем p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN (PNP-AlGaN) слой распределения тока, генерирующий барьер валентной зоны, модулирующий резистивитость p-типа слоя инъекции дырок и направляющий боковой ток. Оптимизируя дизайн PNP-AlGaN, мы демонстрируем значительные приросты в EQE, WPE и снижении прямого напряжения. Мы также проводим исчерпывающий параметрический estudo влияния числа PNP петель, Si легирования, толщины слоя и AlN состава на производительность устройства.

Исследовательские методы и физические модели

Все смоделированные устройства состоят из 4-мм толстого n-Al_0.60Ga_0.40N основания (Si 5 × 10¹⁸ см^-3), за которым следуют пять периодов 3-нм Al_0.45Ga_0.55N/12-нм Al_0.56Ga_0.44N множественных квантовых колодезей (MQW). MQW завершаются 18-нм p-Al_0.60Ga_0.40N электронно-блокирующим слоем (EBL), 198-нм p-Al_0.40Ga_0.60N слоем и 50-нм p-GaN капом. Дырочные концентрации установлены 3 × 10¹⁷ см^-3 повсюду. Для PNP-AlGaN устройств обычный p-Al_0.40Ga_0.60N слой заменяется стеком p-Al_0.40Ga_0.60N/n-Al_xGa_1-xN/p-Al_0.40Ga_0.60N, как показано на Рис. 1b. n-Al_xGa_1-xN вставка Si-легирована (5,3 × 10¹⁷ см^-3) и толщиной 20 нм, создающая барьер валентной зоны, формирующий боковой ток (Рис. 1c).

a Схема изучаемых устройств (референс LED A и PNPNP-AlGaN LED), b PNP-AlGaN стек, c диаграмма валентной зоны иллюстрирующая высоты барьеров φ₁, φ₂ и φ_n.

Для иллюстрации механизма мы моделируем DUV LED на сапфире как эквивалентную схему (Рис. 2a). С тонким слоем распределения тока (≈200 нм) и толстым n-AlGaN инъекционным слоем (≈4 мкм), боковая плотность тока уменьшается от p-электрода наружу, производя текучее течение. Введение PNP-AlGaN разделяет общий ток на вертикальную компоненту (J₁) и горизонтальную компоненту (J₂) как изображено на Рис. 2b. Соотношение следует

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

где ρ_p — резистивитость p-слоя, ρ_CL — резистивитость слоя распределения, ρ_PNP — интерфейсная резистивитость каждого PNP перехода, и N — число переходов. Это выражение показывает, что уменьшение ρ_CL или увеличение ρ_PNP (через более толстое или более сильно легированное n-AlGaN) улучшает горизонтальный ток J₂, улучшая распределение.

a Эквивалентная схема с текучим течением (J₁ > J₂ > …), b упрощённая схема для LED с PNP-AlGaN, указывающая J₁ и J₂.

Физика устройств моделируется с APSYS, используя 50:50 соотношение смещения проводимости/валентной зоны для AlGaN/AlGaN гетероструктур, 40% поляризационного заряда, коэффициент Аугера 1,0 × 10^-30 см⁶/с, время жизни SRH 10 нс, и 8% эффективность извлечения света для DUV LED.

Результаты и обсуждение

Эффективность PNP-AlGaN перехода

Сравнивая референс LED A (без PNP-AlGaN) с LED B (две PNP-AlGaN петли), мы наблюдаем, что дырки встречают два барьера валентной зоны перед достижением MQW, что способствует боковой гомогенизации (Рис. 3a). Боковое распределение дырок в последнем квантовом колодце (LQW) подтверждает более равномерный профиль для LED B (Рис. 3b), согласуясь с энергетико-зонным анализом.

a Энергетическая диаграмма для LED B при 170 А/см²; b боковое распределение дырок в LQW для LED A и B.

Дырочная концентрация и профили радиативной рекомбинации на 230 мкм от края мезы показывают, что LED B выигрывает от более высокой инъекции дырок в MQW, приводя к увеличению EQE на 22,2% (3,38% → 4,13%) и незначительному росту прямого напряжения (Рис. 5b). Несмотря на это, коэффициент полезного действия (WPE) улучшается с 3,56% до 4,27% (Рис. 5c). Более яркое падение напряжения через PNP-AlGaN переход объясняет наблюдаемое WPE проседание при высоких плотностях тока (Рис. 8).

a Плотность выходной мощности и EQE vs ток; b I-V характеристики; c WPE vs ток для LED A и B.

Оптимизация толщины n-AlGaN

Варируя 20-нм n-AlGaN вставку от 6 до 34 нм, мы систематически увеличиваем высоту барьера валентной зоны (Таблица 1). Усиленные барьеры повышают интерфейсную резистивитость (ρ_PNP), направляя больше бокового тока и равномерно распределяя дырки по LQW (Рис. 6a). Соответственно, дырочная концентрация и радиативная рекомбинация в MQW растут, повышая EQE и оптическую мощность (Рис. 7a). Однако прямое напряжение растёт с высотой барьера, и WPE достигает пика при 20-нм вставке перед снижением для более толстых слоёв (Рис. 8). Эти результаты подчёркивают компромисс между выгодой распределения и дополнительным падением напряжения, направляя оптимальную толщину вставки.

a Боковое распределение дырок в LQW; b дырочная концентрация и c радиативная рекомбинация в MQW для LED A, T1–T5.

a Плотность оптической мощности; b I-V характеристики; вставка: увеличенный I-V.

WPE vs ток для LED A, T1–T5; вставка: WPE и EQE при 170 А/см².

Влияние легирования n-AlGaN

Увеличение Si легирования от 1,3 × 10¹⁷ до 1,73 × 10¹⁸ см^-3 в 20-нм n-AlGaN слое повышает барьер валентной зоны (Таблица 2), что улучшает горизонтальный ток и гомогенизирует распределение дырок (Рис. 9a). Полученная более высокая дырочная концентрация в MQW приводит к улучшенной радиативной рекомбинации и EQE (Рис. 10a). Однако прямое напряжение резко растёт выше 1,33 × 10¹⁸ см^-3, указывая на паразитный диодный эффект, и WPE снижается по мере доминирования напряжения (Рис. 11).

a Боковое распределение дырок; b дырочная концентрация и c радиативная рекомбинация в MQW.

a Выходная мощность и EQE vs ток; b I-V характеристики; вставка: увеличенный I-V.

WPE vs ток для LED A, D1–D5; вставка: WPE и EQE при 170 А/см².

Эффект числа PNP-AlGaN переходов

С фиксированными 20-нм, 5,3 × 10¹⁷ см^-3 n-AlGaN и AlN = 0,40 мы сравниваем устройства с 1–4 PNP-AlGaN петлями (LED N1–N4). Больше петель увеличивают кумулятивный барьер (Таблица 3), ещё больше выравнивая боковое распределение дырок (Рис. 12a) и повышая дырочную концентрацию и радиативную рекомбинацию (Рис. 12b,c). EQE и выходная мощность растут с числом петель, в то время как прямое напряжение увеличивается умеренно (Рис. 13b). WPE остаётся стабильным, и EQE и WPE насыщаются после четырёх петель, указывая на убывающие доходности, когда p-слой становится слишком тонким для обеспечения достаточных дырок.

a Боковое распределение дырок; b дырочная концентрация; c радиативная рекомбинация для LED A, N1–N4.

a Выходная мощность и EQE vs ток; b I-V характеристики; вставка: увеличенный I-V.

WPE vs ток для LED A, N1–N4; вставка: WPE и EQE при 170 А/см².

AlN состав в n-AlGaN

Варирование AlN доли в 20-нм n-AlGaN от 0,40 до 0,51 повышает барьер валентной зоны (Таблица 4). Умеренное увеличение до 0,43 оптимизирует распределение тока без чрезмерного блокирования инъекции дырок. При более высоких составах барьер становится слишком большим, снижая проникновение дырок (Рис. 15a,b). EQE улучшается с составом до 0,43, в то время как прямое напряжение растёт с более высокими AlN долями (Рис. 16b). WPE достигает максимума при 0,51 для токов выше 89 А/см², иллюстрируя необходимость баланса между распределением и напряжением (Рис. 17).

a Боковое распределение дырок; b дырочная концентрация; c радиативная рекомбинация для LED A и C1–C5.

a Выходная мощность и EQE vs ток; b I-V характеристики для LED A–C5.

WPE vs ток для LED A, C1–C5; вставка: WPE и EQE при 170 А/см².

Заключение

Исследование демонстрирует, что p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN (PNP-AlGaN) переход эффективно улучшает распределение тока в AlGaN-основанных DUV LED. Настройка толщины вставки, Si легирования, AlN состава и числа переходов увеличивает вертикальное сопротивление в то время как улучшает горизонтальный ток, приводя к более высоким EQE и WPE. Однако чрезмерная высота барьера или слишком много переходов повышают прямое напряжение и могут снизить WPE. Следовательно, сбалансированный дизайн — оптимизирующий все четыре параметра — необходим для максимизации эффективности устройства.