Повышенная производительность светодиодов глубокого ультрафиолетового излучения на основе AlGaN с чирпированным сверхрешеточным слоем замедления электронов

Введение

В последние годы светодиоды глубокого ультрафиолета (DUV) на основе AlGaN, спектры которых приписываются UVB (320–280 нм) и UVC (280–100 нм), привлекли большое внимание из-за своего применения. в освещении растений, фототерапии, очистке воды, стерилизации воздуха и поверхностей [1,2,3,4,5,6]. Однако световая выходная мощность (LOP) современных DUV-светодиодов на основе AlGaN значительно падает по мере того, как длина волны излучения света становится короче [7, 8]. Эти светодиоды DUV страдают низкой внутренней квантовой эффективностью (IQE), эффективностью вывода света (LEE) и эффективностью инжекции носителей (CIE) [9,10,11,12,13]. Как правило, недостаточный IQE вызван большой плотностью дефектов и пронизывающих дислокаций, в то время как недостаточный LEE обусловлен поляризацией материалов AlGaN и поглощением непрозрачным контактным слоем p-GaN [14,15,16,17,18]. Кроме того, переполнение электронов является основной причиной плохого CIE из-за недостаточной плотности дырок и значительного дисбаланса подвижности электронов и дырок в материалах AlGaN [19, 20].

Обычно для подавления переполнения электронов используется слой AlGaN с высоким содержанием алюминия (EBL) p-типа. Но только несколько дырок могут быть введены в активную область через барьер в валентной зоне, введенный EBL, и еще меньше дырок может пересечь барьеры активной области и переместиться в квантовые ямы вблизи слоев n-типа из-за низкой эффективность активации примеси Mg и малая подвижность дырок [21]. Были предприняты различные попытки улучшить инжекцию электронов и дырок, такие как слой дырочного барьера, специально разработанный последний барьер, EBL и структуры с множественными квантовыми ямами [22,23,24,25,26]. Тем не менее, характеристики светодиодов DUV существенно не улучшились.

В этой работе мы предложили новую светодиодную структуру DUV со сверхрешеточным слоем замедления электронов (SEDL) для замедления инжекции электронов и ограничения их переполнения без ущерба для инжекции дырок. Мы изучили влияние нескольких SEDL на характеристики DUV-светодиодов экспериментально и численно. Светодиоды DUV были выращены методом химического осаждения из газовой фазы (MOCVD) и изготовлены в виде 762 × 762 мкм ² чипы, демонстрирующие одиночный пик излучения при 275 нм. Внешний квантовый выход (EQE) 3,43% и рабочее напряжение 6,4 В были измерены при прямом токе 40 мА, что указывает на то, что эффективность подключения к настенной розетке составляет 2,41% для светодиодов DUV с возрастающим чирпированным содержанием алюминия SEDL. Срок службы светодиода DUV с возрастающим чирпированным SEDL с содержанием алюминия составляет более 10 000 часов при L50. Кроме того, механизм повышения производительности исследуется с помощью теоретического моделирования. Подтверждено, что чирпированные SEDL способны уравновешивать инжекцию электронов и дырок в активную область, что способствует излучательной рекомбинации в первых нескольких квантовых ямах вблизи слоев n-типа.

Методы и экспериментальный раздел

Эпитаксия от MOCVD

Гетероструктуры DUV LED на основе AlGaN были выращены с использованием вертикальной системы MOCVD с холодными стенками. Для эпитаксии всей структуры используются триметилалюминий (ТМА), триметилгаллий (ТМГ) и аммиак (NH ₃ ) использовались в качестве источников Al, Ga и N соответственно. H ₂ использовался в качестве газа-носителя. На рисунке 1а показана схема светодиодной структуры DUV с ЛЧМ-SEDL. Рост был инициирован с помощью AlN толщиной 2,7 мкм с использованием метода роста с начальным градиентным прослоем AlN для модификации режима роста [27], затем с использованием Al _0,6 , легированного Si толщиной 3 мкм. Ga _{0,4 ​​} Контактный слой n n-типа, концентрация электронов и подвижность которого, по измерениям, составляют 4,5 × 10 ¹⁸ см ⁻³ и 52 см ² / V s соответственно по системе Холла. Далее следует нелегированный SEDL толщиной 40 нм. Рис. 1b – e. показывает полосную структуру обычного светодиода DUV и трех предлагаемых светодиодов DUV с SEDL, названных образцами A, B, C и D, соответственно. Как показано на рис. 1c, образец B имеет однородный SEDL 20-периодного однородного Al _0,65 Ga _0,35 N / Al _0,5 Ga _0,5 N сверхрешетка. Чирпированные SEDL образцов C и D состоят из четырех наборов 5-периодной сверхрешетки с различными слоями с высоким содержанием алюминия, а именно 0,7, 0,65, 0,6 и 0,55, в то время как состав Al слоев с низким содержанием алюминия является оставалась постоянной равной 0,5. Для образца C состав Al в слоях с высоким содержанием Al постепенно повышается снизу вверх, что противоречит таковому для образца D, как показано на рис. 1 d и e. Толщина каждого слоя для SEDL устанавливается стабильно равной 1 нм. Активная область светодиодов DUV состоит из Al _0,6 Ga _{0,4 ​​} N:слой оболочки Si для растекания тока, за которым следуют 5-периодные множественные квантовые ямы с использованием Al толщиной 14 нм _0,57 Ga _0,43 N барьеры и Al толщиной 2 нм _0,45 Ga _0,55 N скважин. Затем Al _0,7 Ga _0,3 Последовательно выращивали контактный слой N:Mg EBL и GaN:Mg p-типа. Измеренная концентрация дырок и подвижность p-GaN составляет 3,6 × 10 ¹⁷ . см ⁻³ и 15 см ² / V s соответственно по системе Холла.

Моделирование проектируемых структур DUV LED с SEDL и без него. а Схема светодиодной структуры ДУФ с чирпированным SEDL. 20-периодный SEDL с различным составом Al вставляется между слоем AlGaN n-типа и слоем покрытия AlGaN, распространяющимся по току. б Полнополосная структура стандартного образца ( а ) без SEDL. Выделенная область относится к обозначенной области, в которую должен быть вставлен SEDL. c Полосная структура SEDL образца ( b ), представляющей собой 20-периодную однородную сверхрешетку Al0.5Ga0.5N / Al0.65Ga0.35N. Каждый слой SEDL составляет 1 нм. г Полосная структура SEDL образца ( c ), который представляет собой четыре набора 5-периодной сверхрешетки SEDL с уменьшающимся содержанием алюминия с различными слоями с высоким содержанием алюминия, а именно 0,7, 0,65, 0,6 и 0,55. е Полосная структура SEDL образца ( d ), который представляет собой четыре набора 5-периодной восходящей сверхрешетки SEDL с содержанием алюминия и различными слоями с высоким содержанием алюминия, а именно 0,55, 0,6, 0,65 и 0,7

Изготовление устройства

Вслед за ростом MOCVD светодиоды DUV были изготовлены с использованием стандартных технологий обработки. Во-первых, меза-структуры с квадратной геометрией и геометрией пальцев были сформированы путем сухого травления на 150 нм ниже верха Al _0,6 , легированного кремнием. Ga _{0,4 ​​} Контактный слой N n-типа с последующим отжигом при 900 ° C для устранения повреждений от травления. Затем была нанесена пачка n-контактных металлов Ti / Al / Ni / Au и отожжена при 850 ° C в атмосфере азота. Впоследствии пленка ITO была испарена и отожжена при 250 ° C для использования p-контакта с последующим испарением толстого электрода, осаждением пассивирующего слоя, испарением контактных площадок и скрытым нарезанием кубиков на размер 762 × 762 мкм ² фишки.

Моделирование

Чтобы прояснить механизм повышения производительности светодиодов DUV, зонная диаграмма, оптические свойства и характеристики переноса носителей заряда этой структуры были смоделированы путем решения уравнения Шредингера, уравнения Пуассона, уравнений переноса носителей и текущего уравнения неразрывности самосогласованно с помощью Программы Crosslight APSYS (Advanced Physical Model of Semiconductor Devices) [28]. Время рекомбинации Шокли-Рида-Холла (SRH) установлено равным 1,5 нс для всех слоев, кроме вставленного слоя p-типа, равным 1 нс, поскольку время жизни SRH зависит от уровня легирования [29]. Внутренние потери 2000 м ⁻¹ [30]. Параметр изгиба b составляет 1 эВ, а коэффициент смещения полосы предполагается равным 0,7 / 0,3 для материалов AlGaN [31]. Коэффициент рекомбинации Оже установлен равным 1 × 10 ⁻³⁰ . см ⁶ / с, чтобы соответствовать эксперименту [32]. В этом моделировании встроенные межфазные заряды из-за спонтанной и пьезоэлектрической поляризации рассчитываются на основе метода, предложенного Fiorentini et al. [33]. Кроме того, принимая во внимание экранирование дефектами, предполагается, что поверхностные плотности заряда составляют 40% от расчетных значений [34].

Результаты и обсуждение

Поскольку четыре образца имеют одинаковые шаблоны AlN и AlGaN n-типа, кристаллические качества образцов A, B, C и D были измерены с помощью дифракции рентгеновских лучей с высоким разрешением (HR-XRD). Как показано в таблице 1, были построены рентгеновские кривые качания (XRC) вдоль симметричной (002) плоскости и асимметричной (102) плоскости для обоих слоев. Результаты показывают, что полная ширина XRC на полувысоте (FWHM) и плотность пронизывающих дислокаций (TDD) для четырех образцов почти одинаковы, что указывает на то, что кристаллическое качество не является основной причиной повышения производительности устройства. Кроме того, было обнаружено, что плотности прорастающих дислокаций (TDD) в слое AlGaN выше, чем в слое AlN, что является результатом смешанных свойств кристаллов, дефектов интерфейса и легирующих примесей Si [35]. Согласно исследованию Ban et al. Что касается корреляции между IQE и TDD, IQE для всех образцов в этой работе составляет примерно 30-40% [36].

Чтобы подтвердить успешный рост новой структуры, мы выполнили измерения поперечной сканирующей электронной микроскопии в светлом поле (BF-STEM) для типичного образца B в качестве репрезентативного, как показано на рис. 2. Можно видеть, что TDDs уменьшение в течение всего процесса роста AlN толщиной 2.7 мкм на рис. 2а. Рисунок 2b указывает на хорошую периодичность и толщину слоя около 1 нм в каждом периоде SEDL. Кроме того, на рис. 2c выделяются пять периодов множества квантовых ям с различными интерфейсами, из которых барьеры составляют 14 нм, а ямы - около 2,1 нм.

Морфологическая характеристика типичного образца B. a STEM-изображение поперечного сечения шаблона AlN. б Изображение поперечного сечения STEM в области 20 периодов SEDL. c Изображение поперечного сечения STEM в активной области

Чтобы исследовать характеристики устройства, микросхемы светодиодов DUV были эвтектически закреплены на керамической подложке из AlN, чтобы минимизировать эффект нагрева. Затем подложка была закреплена на шестиугольной алюминиевой пластине с помощью паяльной пасты. Затем были выполнены электрические и оптические измерения с помощью системы фотоэлектрического анализа ATA-1000, оснащенной интегрирующей сферой диаметром 30 см [37]. На рис. 3а показаны изменения выходной мощности света (LOP) в зависимости от тока инжекции. LOP образца D с возрастающим содержанием алюминия SEDL составляют 6,17 мВт при 40 мА, 14,99 мВт при 100 мА и 44,975 мВт при 360 мА, что в три раза выше, чем у обычного образца A без SEDL. Это указывает на то, что SEDL полезен для подавления электронного переполнения и инжекции дырок. Между тем, для четырех образцов можно наблюдать небольшое насыщение LOP при работе с большими смещениями, что связано с эффектом нагрева и оже-рекомбинацией [38]. EQE против тока инжекции изображен на рис. 3b. Максимальный EQE составляет 3,43% при 40 мА для образца D, в то время как пик EQE составляет всего 1,17% для образца A. Между тем, LOP и EQE образца D с возрастающим содержанием алюминия SEDL выше, чем у образца B с однородным и снижение содержания алюминия в SEDL, что демонстрирует более эффективную излучательную рекомбинацию в образце D. Измеренные вольт-амперные характеристики для всех образцов показаны на рис. 3c. Можно заметить, что включение SEDL увеличивает рабочее напряжение с 5,13 В при 40 мА для образца A до 7,09 В при 40 мА для образца B из-за увеличения удельного сопротивления SEDL с высоким содержанием алюминия. Кроме того, можно видеть, что рабочее напряжение ниже для образцов C и D, чем для образца B. В соответствии с конструкцией структуры и измерением пропускания для однослойных образцов средний состав Al барьеров образца C и D SEDL составляет 62,5%, а для образца B - 65%. Более высокое содержание Al приводит к более низкой эффективности легирования и более высокому сопротивлению, что приводит к увеличению рабочего напряжения. Следует отметить, что напряжение образца D составляет 6,4 В при 40 мА, в результате чего максимальная эффективность подключения к розетке (WPE) составляет 2,41%. Спектры электролюминесценции при 10 мА показаны на рис. 3г. Пиковое излучение четырех образцов составляет около 275 нм, а тенденция пиковой интенсивности такая же, как и для LOP. Это также указывает на то, что SEDL с восходящим щебетанием Al-контента доступен для повышения производительности светодиодных устройств DUV.

Электрические и оптические характеристики образцов с различными SEDL при комнатной температуре. а Зависимость LOP от тока инжекции при непрерывных смещениях. б Зависимость EQE от тока инжекции при непрерывных смещениях. c Зависимость тока инжекции от рабочего напряжения. г Спектры электролюминесценции всех образцов при инжекционном токе 10 мА, пиковое излучение которых составляет около 275 нм

Чтобы пролить свет на механизм, ответственный за это улучшение, с помощью программы APSYS было проведено теоретическое моделирование, и результаты показаны на рис. 4. Плотность электронного тока и распределение плотности дырочного тока вблизи активной области при 200 мА рассчитаны на рис. 4 а и б. Было обнаружено, что плотности тока инжекции электронов образцов с SEDL немного ниже, чем у образца A без SEDL, в то время как для тока инжекции дырок ситуация обратная, что свидетельствует о том, что SEDL может замедлять электрон из n-типа Слой инжекции электронов AlGaN и соответственно способствует инжекции дырок. Скорости излучательной рекомбинации для всех образцов рассчитаны на рис. 4в. Очевидно, что с введением различных СЭДЛ скорость излучательной рекомбинации в квантовых ямах вблизи слоя n-типа возрастает. Между тем, от образца A к образцу D скорости излучательной рекомбинации в пяти квантовых ямах постепенно становятся однородными, что почти одинаково для образца D с возрастающим чирпированным SEDL с содержанием алюминия. Это дополнительно указывает на то, что SEDL может уравновешивать инжекцию электронных и дырочных носителей в активную область и одновременно способствовать излучательной рекомбинации в первых нескольких квантовых ямах вблизи слоев n-типа. В результате IQE для четырех образцов были смоделированы и представлены на рис. 4d. IQE образца D является самым высоким, что согласуется с EQE на рис. 4b. Более того, падение КПД в образце с SEDL заметно улучшилось. Во всем диапазоне тока инжекции падение эффективности составляет 70,33%, 59,79%, 48,93% и 36,26% для образцов A, B, C и D соответственно, что определяется как падение эффективности =(IQE _max - IQE _{250 мА} ) / IQE _макс . Обычно считается, что падение эффективности вызвано утечкой электронов и недостаточной инжекцией дырок [39]. Улучшение спада эффективности проясняет, что SEDL может уравновешивать транспорт носителей в активную область и способствовать излучательной рекомбинации в квантовых ямах, в конечном итоге повышая производительность устройства.

Теоретическое моделирование и анализ. а Плотность электронного тока в активной области при токе инжекции 200 мА. б Плотность дырочного тока в активной области при токе инжекции 200 мА. c Скорость излучательной рекомбинации в множественных квантовых ямах при токе инжекции 200 мА. г Зависимость рассчитанного IQE от тока впрыска

Срок службы устройств измерялся при 20 мА и комнатной температуре. Для каждого образца, чтобы гарантировать точность результатов, случайным образом было выбрано 10 чипов, и среднее значение относительной LOP для них при разном времени нагрузки показано на рис. 5. Как показано, по сравнению с образцом A, срок службы образцов с SEDL очевидно расширяется. Деградация светодиодных устройств частично связана с накоплением дефектов, омическими проводящими каналами и недостаточной инжекцией носителей [40]. Увеличение срока службы дополнительно подтверждает, что SEDL может уравновесить транспорт электронов и дырок и способствовать инжекции носителей в активную область. Кроме того, средний срок службы образца D с возрастающим чирпированным SEDL с содержанием алюминия составляет более 10 000 ч на L50, что достаточно для практического применения.

Относительный LOP как функция времени старения для всех образцов при 20 мА и комнатной температуре. Старение прекращается, когда относительный LOP ниже 50%. Черные, красные, зеленые и синие кривые представляют образцы а , b , c , и d , соответственно. Срок службы образца D с возрастающим чирпированным SEDL по содержанию алюминия составляет более 10 000 ч при L50

Заключение

Экспериментально и численно исследовано влияние слоя замедления электронов чирпированной сверхрешетки на светодиоды DUV. Результаты показывают, что чирпированные SEDL способны уравновешивать инжекцию электронов и дырок в активную область, что способствует излучательной рекомбинации в первых нескольких квантовых ямах вблизи слоев n-типа. Увеличение излучательной рекомбинации дополнительно приводит к улучшению характеристик светодиодных устройств DUV. DUV-светодиоды на основе AlGaN были изготовлены в размере 762 × 762 мкм ² чипы, демонстрирующие одиночный пик излучения при 275 нм. Внешний квантовый выход 3,43% и рабочее напряжение 6,4 В измерены при прямом токе 40 мА, демонстрируя, что эффективность подключения к настенной розетке составляет 2,41% для светодиодов DUV с возрастающим чирпированным SEDL с содержанием алюминия. Срок службы светодиода DUV с возрастающим чирпированным SEDL с содержанием алюминия составляет более 10 000 ч на L50 из-за стимулирования инжекции носителей. Дальнейшего улучшения можно ожидать за счет применения лазерного отрыва, придания шероховатости поверхности, отражающего электрода и инкапсуляции. В целом разработанный светодиод DUV с чирпированным SEDL демонстрирует удовлетворительные электрические свойства, благоприятные оптические характеристики и желаемую надежность, что является многообещающим для высокоэффективной очистки воды и стерилизации поверхности.

Доступность данных и материалов

Все данные и материалы в рукописи доступны.

Сокращения

APSYS:

Продвинутая физическая модель полупроводниковых приборов

BF-STEM:

Сканирующая просвечивающая электронная микроскопия в светлом поле

CIE:

Эффективность закачки носителя

DUV:

Глубокий ультрафиолет

EBL:

Слой блокировки электронов

EQE:

Внешняя квантовая эффективность

FWHM:

Полная ширина на половине максимальной

HR-XRD:

Дифракция рентгеновских лучей высокого разрешения

IQE:

Внутренняя квантовая эффективность

Светодиод:

Светодиод

LEE:

Эффективность отвода света

LOP:

Выходная мощность света

MOCVD:

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы

SEDL:

Слой замедления электронов в сверхрешетке

SRH:

Шокли-Рид-Холл

TDD:

Плотность резьбовых вывихов

TMA:

Триметилалюминий

TMG:

Триметилгаллий

WPE:

Эффективность розетки

XRC:

Кривая качания на рентгеновском снимке