Повышение производительности глубокого УФ СИД через локально модулированные NPN-AlGaN слои рассеяния тока

Аннотация

Мы представляем новую стратегию улучшения рассеяния тока в AlGaN-основанных глубоких УФ светодиодах (DUV LEDs) путем вставки локально допированной n-AlGaN/p-AlGaN/n-AlGaN (NPN-AlGaN) структуры в электронно-поставляющий слой. Тонкая вставка p-AlGaN создает барьер проводимости, который перераспределяет боковой ток в p-типе дырочно-поставляющем слое, смягчая заторы тока. Ключевые параметры — уровень Mg допирования, толщина p-слоя, AlN состав и количество NPN переходов — критически влияют на эффект рассеяния. Оптимизированные NPN-AlGaN слои усиливают оптический выход, внешнюю квантовую эффективность (EQE) и эффективность стены (WPE) для DUV LEDs.

Введение

AlGaN-основанные DUV LEDs необходимы для дезинфекции, очистки воды, медицинских приложений и высокоплотной оптической записи[1-8]. Недавние достижения в кристаллическом качестве — такие как графен-помощная квази-Ван-дер-Ваальс эпитаксия AlN на наноструктурированном сапфире — снизили плотность дислакаций и повысили внутренние квантовые эффективности (IQE) до 80%[9-10]. Однако DUV LEDs управляются электрически, где внедрение и перенос носителей управляют производительностью[11-13]. Вызывающая проблему — заторы тока, особенно под высоким смещением, из-за плохой эффективности Mg-допирования в высоко-алюминистых p-AlGaN слоях[15-16] и боковой геометрии внедрения в перевернутых чип структурах[17-18]. Схемы рассеяния тока на основе узких полосовых p-контактов[19] или ITO/ZGO слоев[20] показывали ограниченный успех, часто препятствуемый контактным сопротивлением или недостаточной боковой проводимостью.

В этой работе мы смещаем фокус с p-стороны на n-тип электронно-поставляющий слой. Проектируя допированный профиль в n-AlGaN для формирования NPN-AlGaN переходов, мы генерируем контролируемые энергетические барьеры, которые перераспределяют боковой ток, тем самым улучшая внедрение дыр и общую эффективность устройства. Этот подход предлагает большую гибкость для эпитаксиальной оптимизации, прямо адресуя заторы тока.

Исследовательские методы и физические модели

Базовая DUV LED структура включает 4-мкм толстый n-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N слой, допированный Si при 5×10¹⁸ см⁻³, за которым следуют пять Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N/Al₀.₅₆Ga₀.₄₄N MQWs (3 нм/12 нм). 18-нм Mg-допированный p-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N электронно-блокирующий слой (EBL) ограничивает MQWs, сменяется 50-нм Mg-допированными p-Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N и p-GaN слоями, каждая с концентрацией дыр 3×10¹⁷ см⁻³. Устройства имеют 350 × 350 мкм² мезу.

Рисунок 1b иллюстрирует профиль проводимости для структуры, содержащей два NPN-AlGaN перехода (NPNPN-AlGaN). Истощение p-AlGaN вставок создает вертикальные барьеры (φ₁, φ₂), настраивающие боковую распределение тока. Переход должен быть полностью истощен для работы в режиме пробоя reach-through[21]. Все устройства сравниваются с референсным LED без NPN переходов.

Мы моделируем ток с эквивалентной схемой (Рис. 2a), разделяя вертикальную (I₁) и горизонтальную (I₂) компоненты. Наличие NPN переходов вводит интерфейсное сопротивление R_npn на переход, снижая отношение I₁/I₂ (Уравнение 3). Увеличение количества переходов (N) или повышение R_npn — путем настройки AlN состава, толщины или Mg допирования — дополнительно способствует боковому рассеянию.

Физика устройств моделируется с использованием Crosslight APSYS, с валидированными моделями для Авже-рекомбинации (1×10⁻³⁰ см⁶с⁻¹), SRH времени жизни (10 нс), извлечения света (≈ 8%) и 50:50 смещения зоны для AlGaN гетероструктур[25]. Поляризационные заряды установлены на 40% от несоответствия решетки[29].

Результаты и обсуждения

Влияние NPN-AlGaN на рассеяние тока

Сравнение референсного LED A (без NPN) с LED B (один NPN переход, 20 нм p-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N, Mg = 1×10¹⁸ см⁻³) показывает два барьера проводимости в LED B (Рис. 3a). Эти барьеры увеличивают R_npn, снижая I₁/I₂ и позволяя более равномерное боковое распределение дыр в последнем квантовом колодце (LQW) (Рис. 3b). Следовательно, концентрации дыр и скорости радиативной рекомбинации в MQWs растут (Рис. 4a-b), переводяся в более высокую EQE и плотность оптической мощности (Рис. 5a). Хотя прямое напряжение слегка увеличивается (Рис. 5b), эффективность стены (WPE) превосходит референс выше ~56 А см⁻² (Рис. 5c), подтверждая выгоду NPN-AlGaN инженерии.

Эффект AlN состава в p-AlGaN слое

Пять устройств (Cᵢ, i = 1-5) были изготовлены с AlN долями 0,60, 0,63, 0,66, 0,69, 0,72 в 20-нм p-слое (Mg = 1,8×10¹⁸ см⁻³). Более высокий AlN увеличивает барьер проводимости (Таблица 1), повышая R_npn и снижая I₁/I₂ (Уравнение 3). Боковые профили дыр (Рис. 6a) и MQW концентрации (Рис. 6b-c) показывают постепенно улучшающуюся равномерность и более высокие носительные плотности с большим AlN содержанием. EQE и плотность оптической мощности следуют за этим (Рис. 7a), в то время как прямое напряжение демонстрирует скромный рост (Рис. 7b). WPE выгоды максимизируются при промежуточной AlN доле (C₂), балансируя высоту барьера против добавленного падения напряжения (Рис. 8).

Влияние Mg допирования

Устройства Dᵢ (i = 1-5) варьируют Mg допирование в 20-нм p-слое (3×10¹⁷ – 3×10¹⁸ см⁻³) с AlN = 0,61. Увеличение Mg расширяет истощенную область, повышая барьер и R_npn (Таблица 2). Боковые распределения дыр становятся все более равномерными (Рис. 9a), улучшая MQW концентрации дыр и радиативную рекомбинацию (Рис. 9b-c). EQE и плотность оптической мощности растут с допированием (Рис. 10a), хотя прямое напряжение также увеличивается, особенно для самого высокого Mg уровня (Рис. 10b). WPE улучшается до Mg = 2×10¹⁸ см⁻³, но падает при самом высоком допировании из-за чрезмерного падения напряжения (Рис. 11).

Толщина p-AlGaN вставочного слоя

Серия Tᵢ (i = 1-5) использует 18-, 20-, 24-, 28- и 32-нм p-слои (AlN = 0,61, Mg = 1,5×10¹⁸ см⁻³). Высоты барьеров растут с толщиной (Таблица 3), дополнительно снижая I₁/I₂ и улучшая боковое рассеяние (Рис. 12a). MQW концентрации дыр и скорости рекомбинации растут соответственно (Рис. 12b-c). Оптическая мощность и EQE улучшаются (Рис. 13a), и прямое напряжение значительно снижается для 20-, 24- и 28-нм устройств (Рис. 13b). Однако самый толстый слой (32 нм) показывает более высокое включительное напряжение из-за паразитного N-AlGaN/P-AlGaN диода. WPE пику при оптимальной толщине, демонстрируя необходимость тщательной настройки (Рис. 14).

Количество NPN-AlGaN переходов

LEDs Nᵢ (i = 1-5) содержат 1 до 5 NPN переходов, каждый с 20-нм p-слоями (AlN = 0,61, Mg = 1,5×10¹⁸ см⁻³). Хотя индивидуальные высоты барьеров схожи (Таблица 4), кумулятивный барьер растет с количеством переходов, усиливая боковое рассеяние (Рис. 15a). MQW концентрации дыр и скорости рекомбинации улучшаются прогрессивно (Рис. 15b-c). EQE и плотность оптической мощности растут с количеством переходов, но приросты уменьшаются после трех переходов (Рис. 16a). Прямое напряжение снижается относительно референса (Рис. 16b), и WPE выгоды очевидны до пяти переходов, хотя инкрементальное преимущество затухает (Рис. 17).

Заключения

Внедрение NPN-AlGaN переходов внутри n-типа электронно-поставляющего слоя эффективно смягчает заторы тока в p-типе дырочно-поставляющем регионе AlGaN-основанных DUV LEDs. Настраивая AlN состав, Mg допирование, толщину вставочного слоя и количество переходов, мы можем унифицировать боковой ток, улучшить внедрение дыр и повысить EQE и WPE. Хотя EQE последовательно выигрывает, WPE приросты плато когда дополнительные падения напряжения от барьеров перевешивают преимущество рассеяния, подчеркивая важность сбалансированного дизайна. Это исследование вводит универсальную, эпитаксиально-дружелюбную стратегию рассеяния тока, продвигающую производительность высокомощных DUV LEDs.