Повышение эффективности AlGaN глубокого UV LED хирпенными суперрешётчатыми затормаживающими электронными слоями

Аннотация

AlGaN-базированные глубокие ультрафиолетовые (DUV) светодиоды (LED) страдают от электронного перелива и недостаточного внедрения дыр. В данной работе предлагаются новые структуры DUV LED с суперрешётчатым затормаживающим электронным слоем (SEDL) для замедления электронов, внедряемых в активную область, и улучшения радиативной рекомбинации. Эффекты нескольких хирпенных SEDL изучены экспериментально и численно. DUV LED выращены металлоорганическим химическим осаждением из паров (MOCVD) и изготовлены в чипы 762×762 мкм², демонстрирующие единичный пик излучения при 275 нм. Внешняя квантовая эффективность (EQE) 3,43% и рабочее напряжение 6,4 В измерены при прямом токе 40 мА, указывая, что стенная разъёмная эффективность (WPE) составляет 2,41% для DUV LED с восходящим Al-содержанием хирпенным SEDL. Время жизни DUV LED с восходящим Al-содержанием хирпенным SEDL измерено более 10 000 ч при L50 благодаря способствованию носителю внедрению.

Введение

В последние годы AlGaN-базированные DUV LED, спектры которых относятся к UVB (320-280 нм) и UVC (280-100 нм), привлекли много внимания из-за применений в фитосвете, фоттерапии, водоочистке и стерилизации воздуха и поверхностей [1-6]. Однако выходная световая мощность (LOP) современных AlGaN DUV LED резко падает при сокращении длины волны излучения [7,8]. Эти DUV LED страдают от низкой внутренней квантовой эффективности (IQE), эффективности извлечения света (LEE) и эффективности внедрения носителей (CIE) [9-13]. Обычно низкая IQE вызвана высокой плотностью дефектов и нитевых дилокаций, недостаточная LEE — поляризацией AlGaN и поглощением непрозрачным p-GaN контактным слоем [14-18]. Более того, электронный перелив — главная причина низкой CIE, обусловленная недостаточной плотностью дыр и значительным дисбалансом подвижностей электронов и дыр в AlGaN [19,20].

Традиционно высоко-Al-содержащий p-тип AlGaN электронноблокирующий слой (EBL) используется для подавления электронного перелива. Но только несколько дыр могут быть внедрены в активную область через барьер в валентной зоне, созданный EBL, и даже меньше дыр могут пересечь барьеры активной области и транспортироваться к квантовым ямам у n-типа слоёв из-за низкой активационной эффективности Mg допанта и малой подвижности дыр [21]. Различные попытки улучшить внедрение электронов и дыр предпринимались: дырной барьерный слой, специально спроектированный последний барьер, EBL и множественные квантовые ямы [22-26]. Тем не менее, производительность DUV LED не улучшается существенно.

В этой работе предложена новая структура DUV LED с суперрешётчатым затормаживающим электронным слоем (SEDL) для замедления внедрения электронов и сдерживания электронного перелива без компромисса внедрения дыр. Изучены эффекты нескольких SEDL на производительность DUV LED экспериментально и численно. DUV LED выращены MOCVD и изготовлены в чипы 762×762 мкм² с единичным пиком излучения 275 нм. EQE 3,43% и рабочее напряжение 6,4 В измерены при 40 мА, демонстрируя WPE 2,41% для DUV LED с восходящим Al-содержанием хирпенным SEDL. Время жизни DUV LED с восходящим Al-содержанием хирпенным SEDL измерено более 10 000 ч при L50. Кроме того, механизм улучшения производительности исследован теоретической симуляцией. Подтверждено, что хирпенные SEDL способны уравновесить внедрение электронов и дыр в активную область, способствуя радиативной рекомбинации в первых нескольких квантовых ямах у n-типа слоёв.

Методы и экспериментальная секция

Эпитаксия MOCVD

AlGaN-базированные DUV LED гетероструктуры выращивали вертикальной холодностенной MOCVD системой. Для эпитаксии всей структуры триметилалюминий (TMA), триметилгаллий (TMG) и аммиак (NH₃) использовались как Al, Ga и N источники. H₂ — переносной газ. Рис. 1a иллюстрирует схему DUV LED структуры с хирпенным SEDL. Рост начинали с 2,7 мкм толстого AlN, используя метод роста с начальным AlN градиентным интерслоем для модификации режима роста [27], затем 3 мкм Si-легированного Al₀.₆Ga₀.₄N n-контактного слоя, электронная концентрация и подвижность которого измерены 4,5×10¹⁸ см⁻³ и 52 см²/В·с Холловской системой. Далее 40-нм нелегированный SEDL. Рис. 1b-e показывают зонные структуры обычного DUV LED и трёх предложенных DUV LED с SEDL, образцы A, B, C, D соответственно. Рис. 1c: образец B имеет равномерный SEDL 20-периодный однородный Al₀.₆₅Ga₀.₃₅N/Al₀.₅Ga₀.₅N суперрешётку. Хирпенные SEDL образцов C и D состоят из четырёх наборов 5-периодной суперрешётки с разными высоко-Al слоями: 0,7, 0,65, 0,6, 0,55, тогда как Al состав низко-Al слоёв постоянно 0,5. Для образца C Al составы высоко-Al слоёв постепенно возрастают снизу вверх, что противоположно образцу D, как на Рис. 1d,e. Толщины каждого SEDL слоя установлены 1 нм постоянно. Активная область DUV LED состоит из Al₀.₆Ga₀.₄N:Si клэддинг слоя для распределения тока, за которым следует 5-периодная MQW, использующая 14-нм Al₀.₅₇Ga₀.₄₃N барьеры и 2-нм Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N ямы. Затем Al₀.₇Ga₀.₃N:Mg EBL и GaN:Mg p-контактный слой выросли последовательно. Дырная концентрация и подвижность p-GaN измерены 3,6×10¹⁷ см⁻³ и 15 см²/В·с Холловской системой.

Фабрикация устройств

После MOCVD роста DUV LED изготовляли стандартными техниками. Сначала мезовые структуры с квадратными и пальцевыми геометриями формировали сухой травкой до 150 нм ниже верха Si-легированного Al₀.₆Ga₀.₄N n-контактного слоя, затем 900 °C отжиг для ремонта травляных повреждений. Затем наносили Ti/Al/Ni/Au n-контактный металлический стек и отжигали 850 °C в азоте. Последовательно испаряли ITO пленку и отжигали 250 °C для p-контакта, затем толстый электрод, пассивационный слой, контактные площадки и стелс-дайсинг в чипы 762×762 мкм².

Симуляция

Для освещения механизма улучшения производительности DUV LED, зонная диаграмма, оптические свойства и носитель-транспортные характеристики симулировали, решая уравнение Шрёдингера, уравнение Пуассона, уравнения носитель-транспорта и уравнение непрерывности тока самосогласованно программами Crosslight APSYS [28]. Время Шокли-Реда-Холла (SRH) рекомбинации установлено 1,5 нс для всех слоёв кроме p-типа вставленного слоя 1 нс, так как SRH lifetime зависит от легирования [29]. Внутренние потери 2000 м⁻¹ [30]. Параметр изгиба b = 1 эВ, соотношение смещения зон 0.7/0.3 для AlGaN [31]. Коэффициент Авгера 1×10⁻³⁰ см⁶/с для подгонки эксперимента [32]. Встроенные интерфейсные заряды из-за спонтанной и пьезоэлектрической поляризации рассчитывали методом Фиорентини et al. [33]. Учитывая скрининг дефектами, поверхностные плотности зарядов предполагали 40% от расчётных [34].

Результаты и обсуждение

Так как четыре образца имеют идентичные AlN и n-AlGaN шаблоны, кристаллические качества образцов A, B, C, D измеряли высокоразрешающей рентгеновской дифракцией (HR-XRD). Таблица 1: X-ray rocking curves (XRC) по симметричной (002) и асимметричной (102) плоскостях для обоих слоёв. Результаты показывают, что XRC FWHM и нитевая дилокационная плотность (TDD) четырёх образцов почти одинаковы, указывая, что кристаллическое качество не главная причина улучшения производительности. Более того, TDD в AlGaN слое выше чем в AlN, что результатирует из смешанных кристаллических свойств, интерфейсных дефектов и Si-легирующих примесей [35]. Согласно исследованию Ban et al. о корреляции IQE и TDD, IQE для всех образцов в этой работе примерно 30-40% [36].

Для подтверждения успешного роста новой структуры выполнили поперечно-сечение ярко-польное сканирующее трансляционное электронное микроскопирование (BF-STEM) для типичного образца B как представителя, Рис. 2. Видно, что TDD уменьшаются в процессе роста 2,7 мкм AlN (Рис. 2a). Рис. 2b показывает хорошую периодичность и почти 1-нм толщину каждого периода SEDL. Кроме того, пять периодов MQW с чёткими интерфейсами распознаны на Рис. 2c, барьеры 14 нм, ямы ~2,1 нм.

Для исследования производительности устройств чипы DUV LED эвтектически припояли на AlN керамическую подложку для минимизации нагрева. Затем подложку монтировали на шестигранную алюминиевую пластину паяльной пастой. Электрические и оптические измерения выполняли системой ATA-1000 фотоэлектрического анализа с 30-см интегрирующей сферой [37]. Рис. 3a показывает вариации LOP vs инжекционный ток. LOP образца D с восходящим Al-содержанием SEDL: 6,17 мВт при 40 мА, 14,99 мВт при 100 мА, 44,975 мВт при 360 мА — в 3 раза выше обычного образца A без SEDL. Это указывает, что SEDL полезен для подавления электронного перелива и способствования внедрению дыр. Одновременно наблюдается лёгкое насыщение LOP для всех образцов при высоких смещениях, связанное с нагревом и Авгеровской рекомбинацией [38]. EQE vs инжекционный ток на Рис. 3b. Максимальный EQE 3,43% при 40 мА для образца D, тогда как EQE пик только 1,17% для образца A. LOP и EQE образца D выше образцов B и C с равномерным и убывающим Al-содержанием SEDL, демонстрируя более эффективную радиативную рекомбинацию в образце D. Измеренные вольт-амперные характеристики всех образцов на Рис. 3c. Видно, что включение SEDL увеличивает рабочее напряжение с 5,13 В при 40 мА для A до 7,09 В при 40 мА для B, из-за увеличения резистивности высокого Al состава SEDL. Кроме того, рабочее напряжение ниже для C и D чем для B. Согласно дизайну структуры и передаточным измерениям для однослойных образцов, средний Al состав барьеров C и D SEDL 62,5% тогда как B — 65%. Высокий Al контент ведёт к низкой допинговой эффективности и высокому сопротивлению, увеличивая рабочее напряжение. Стоит отметить, напряжение образца D 6,4 В при 40 мА, дающее максимальную WPE 2,41%. Электролюминесцентные спектры при 10 мА на Рис. 3d. Пиковые излучения всех четырёх образцов около 275 нм, тренд пиковой интенсивности тот же что LOP. Это также указывает, что восходящий Al-содержание хирпенный SEDL доступен для улучшения DUV LED производительности.

Для проливания света на механизм улучшения, теоретические симуляции выполнены APSYS программой, результаты на Рис. 4. Плотности электронного и дырочного токов вблизи активной области при 200 мА рассчитаны на Рис. 4a,b. Обнаруживается, что плотности электронного внедрения образцов с SEDL слегка ниже образца A без SEDL, тогда как для дырочного внедрения ситуация обратная, иллюстрируя, что SEDL способен замедлять электроны из n-AlGaN электронного внедряющего слоя и способствовать внедрению дыр соответственно. Радиативные рекомбинационные скорости для всех образцов рассчитаны на Рис. 4c. При включении разных SEDL радиативная рекомбинационная скорость в квантовых ямах у n-типа слоя очевидно увеличивается. Более того, от A к D радиативные рекомбинационные скорости в пяти квантовых ямах постепенно становятся равномерными, почти одинаковыми для D с восходящим Al-содержанием хирпенным SEDL. Это дополнительно указывает, что SEDL может уравновесить внедрение электронов и дыр в активную область и способствовать радиативной рекомбинации в первых нескольких квантовых ямах у n-типа слоёв. В результате IQE для четырёх образцов симулированы и нанесены на Рис. 4d. IQE образца D наивысший, согласуется с EQE на Рис. 3b. Более того, падение эффективности (efficiency droop) в образце с SEDL улучшается очевидно. В полном диапазоне инжекционного тока падение эффективности 70,33%, 59,79%, 48,93%, 36,26% для A, B, C, D соответственно, определяется как (IQE_max − IQE_250mA)/IQE_max. Падение эффективности обычно считается вызванным электронной утечкой и недостаточным внедрением дыр [39]. Улучшение падения эффективности проясняет, что SEDL может балансировать носитель-транспорт в активную область и способствовать радиативной рекомбинации в квантовых ямах, в конечном счёте улучшая производительность устройства.

Время жизни устройств измеряли при 20 мА и комнатной температуре. Для каждого образца, для обеспечения точности, 10 чипов случайно выбирали и усреднённая относительная LOP при разных стресс-времён изображены на Рис. 5. Как видно, по сравнению с A, время жизни образцов с SEDL очевидно расширено. Деградация LED частично связана с накоплением дефектов, омическими проводимыми каналами и дефицитным носитель-внедрением [40]. Улучшение времени жизни дополнительно верифицирует, что SEDL может балансировать электронный и дырочный транспорт и способствовать носитель-внедрению в активную область. Более того, среднее рабочее время жизни для образца D с восходящим Al-содержанием хирпенным SEDL превышает 10 000 ч при L50, что адекватно для практического применения.

Заключение

Эффекты хирпенного суперрешётчатого затормаживающего электронного слоя на DUV LED исследованы экспериментально и численно. Результаты указывают, что хирпенные SEDL способны уравновесить внедрение электронов и дыр в активную область, способствуя радиативной рекомбинации в первых нескольких квантовых ямах у n-типа слоёв. Увеличение радиативной рекомбинации дальше ведёт к улучшению DUV LED производительности. AlGaN-базированные DUV LED изготовлены в чипы 762×762 мкм² с единичным пиком 275 нм. EQE 3,43% и рабочее напряжение 6,4 В при 40 мА демонстрируют WPE 2,41% для DUV LED с восходящим Al-содержанием хирпенным SEDL. Время жизни DUV LED с восходящим Al-содержанием хирпенным SEDL измерено >10 000 ч при L50 благодаря способствованию носитель-внедрению. Дальнейшие улучшения ожидаются внедрением laser lift-off, шероховатыми поверхностями, рефлектирующими электродами и инкапсуляцией. В целом, спроектированный DUV LED с хирпенным SEDL показывает удовлетворительные электрические свойства, благоприятную оптические производительность и желаемую надёжность, перспективный для высокоэффективной водоочистки и стерилизации поверхностей.

Доступность данных и материалов

Все данные и материалы в рукописи доступны.

Аббревиатуры

APSYS:

Advance Physical Model of Semiconductor Devices

BF-STEM:

Ярко-польное сканирующее трансляционное электронное микроскопирование

CIE:

Carrier injection efficiency

DUV:

Глубокий ультрафиолет

EBL:

Electron blocking layer

EQE:

External quantum efficiency

FWHM:

Full width at half maximum

HR-XRD:

High-resolution X-ray diffraction

IQE:

Internal quantum efficiency

LED:

Light-emitting diode

LEE:

Light extraction efficiency

LOP:

Light output power

MOCVD:

Metal-organic chemical vapor deposition

SEDL:

Superlattice electron deceleration layer

SRH:

Shockley-Read-Hall

TDD:

Threading dislocation density

TMA:

Trimethylaluminum

TMG:

Trimethylgallium

WPE:

Wall-plug efficiency

XRC:

X-ray rocking curve