Influência da largura do poço quântico nas propriedades de eletroluminescência de diodos emissores de luz ultravioleta profunda de AlGaN em diferentes temperaturas

Resumo

A influência da largura do poço quântico (QW) nas propriedades de eletroluminescência de diodos emissores de luz ultravioleta profunda AlGaN (LEDs DUV) foi estudada em diferentes temperaturas. As razões de eficiência quântica externa máxima (EQE) de LED com 3,5 nm QW para 2 nm aumentaram de 6,8 à temperatura ambiente (RT) para 8,2 a 5 K. No entanto, as razões para LED com 3,5 nm QW para 5 nm QW diminuiu de 4,8 em RT para 1,6 em 5 K. As diferentes mudanças nas razões EQE foram atribuídas à diminuição da recombinação não radiativa e ao aumento do volume da região ativa. A partir da análise teórica, o LED com poços de 2 nm teve uma barreira mais rasa para o estouro de elétrons devido ao efeito confinado quântico, enquanto o LED com poços de 5 nm mostrou a menor sobreposição de elétron e buraco devido ao grande campo interno. Portanto, o LED com 3,5 nm QW teve o maior EQE máximo na mesma temperatura. Conforme a temperatura diminuía, a corrente para o EQE máximo diminuía para todos os LEDs, o que se acreditava ser devido ao aumento do elétron que transbordou para fora dos QWs e à diminuição da concentração do buraco. Os resultados foram úteis para entender a combinação de efeito de polarização e estouro de elétrons em LEDs DUV.

Histórico

Os diodos emissores de luz ultravioleta profunda à base de AlGaN (LEDs DUV) podem ser amplamente utilizados nas áreas de iluminação de estado sólido, medicina, bioquímica e assim por diante. Portanto, mais e mais esforços têm sido dedicados para melhorar a qualidade do cristal dos materiais [1,2,3,4], as técnicas de dopagem do tipo p e a otimização das estruturas do dispositivo [5,6,7,8, 9]. Miyake et al. demonstraram que a qualidade do cristal de AlN pode ser melhorada significativamente pelo recozimento de alta temperatura [3]. Ao aumentar a temperatura de crescimento, Sun et al. obteve filmes espessos de AlN de alta qualidade em safira [2]. Recentemente, Jiang et al. estudaram a evolução do defeito no crescimento homoepitaxial de AlN [1]. Seus resultados contribuíram para o entendimento do mecanismo de homoepitaxia do AlN e forneceram as técnicas críticas para melhorar a qualidade do cristal. Além disso, vários métodos foram propostos para melhorar a extração de luz, como cristais fotônicos e nanoestruturas e plasmon de superfície [10,11,12]. Nas últimas décadas, um grande progresso foi obtido para este tipo de LED, o qual foi analisado globalmente por Li et al. [13]. No entanto, o desempenho dos dispositivos ainda está longe da aplicação prática devido à baixa eficiência quântica externa. É bem conhecido que os nitretos do grupo III possuem estruturas wurtzita, nas quais os grandes campos espontâneos e piezoelétricos resultarão no diagrama de bandas inclinadas. Essas bandas inclinadas tiveram grande influência nos dispositivos baseados em nitreto do grupo III, como detectores LED, LD [14, 15] e UV [16, 17]. Hirayama et al. relataram a influência da largura do poço quântico (QW) nas propriedades de fotoluminescência (PL) em LEDs DV QW simples baseados em AlGaN [18]. Eles descobriram que os LEDs com largura QW de 1,5-1,7 nm exibiram uma maior luminescência e a intensidade PL diminuiu quando a largura QW era menor que 1,5 nm, o que foi atribuído a um aumento da recombinação não radiativa nas heterointerfaces. Neste trabalho, fabricamos LEDs DUV com diferentes larguras de poços quânticos (QW) e estudamos a influência da largura e da temperatura QW nas propriedades de eletroluminescência (EL). Descobrimos que os LEDs com largura QW de 3,5 nm exibiram a maior eficiência quântica externa máxima (EQE). À medida que a temperatura diminuía, a corrente para o EQE máximo diminuía para todos os LEDs, o que se acreditava ser devido à diminuição da concentração do orifício e ao aumento da corrente de elétrons de transbordamento.

Métodos

Os LEDs foram cultivados por deposição de vapor químico orgânico de metal em substrato de safira (0001) usando uma camada tampão de AlN de 1,0 μm seguida por um Al não dopado de 0,5 μm de espessura _0,6 Ga _0,4 N e um n-Al de 1,0 μm de espessura _0,6 Ga _0,4 Modelo N. A densidade de deslocamento do modelo é cerca de 6 × 10 ⁹ cm ^{- 2} medido por microscopia eletrônica de transmissão. Então Al _0,49 Ga _0,51 N / Al _0,58 Ga _0,42 N múltiplos QWs (MQWs) foram cultivados como regiões ativas. A espessura das barreiras era de 5,0 nm. p-Al _0,3 Ga _0,7 N (25 nm) / Al _0,6 Ga _0,4 N (25 nm) foi usado como camadas do tipo p. Finalmente, uma camada de contato p-GaN de 200 nm foi depositada. Com base na estrutura acima, três amostras, denominadas LEDs A, B e C, foram cultivadas com largura QW de 2,0, 3,5 e 5,0 nm, respectivamente.

500 μm × 500 μm geometria quadrada p - n os dispositivos de junção foram fabricados usando técnicas litográficas padrão para definir a característica e corrosão iônica reativa para expor o n -Al _0,6 Ga _0,4 N Camada de contato ôhmico. Contatos ôhmicos tipo n de Ti / Al / Ni / Au (15/80/12/60 nm) foram depositados por evaporação de feixe de elétrons e recozidos com um sistema de recozimento térmico rápido a 900 ° C por 30 s em ambiente de nitrogênio. Para transparente p -contatos, camadas de Ni / Au (6/12 nm) foram depositadas por feixe de elétrons e recozidas em ambiente com ar a 600 ° C por 3 min. O dispositivo foi completado com a deposição de Ni / Au (5/60 nm) p contato. O espectro de EL foi medido de 5 K até a temperatura ambiente (RT) usando o detector de dispositivo acoplado a carga resfriado com nitrogênio líquido aprimorado por UV Symphony de Jonin Yvon. Para evitar a influência do efeito do aquecimento térmico [19], a injeção de pulso com pulso de corrente de 1 μs a 0,5% foi usada nas medições de EL.

Resultados e discussão

A Figura 1a mostra os espectros de EL medidos à temperatura ambiente (RT) para os LEDs A, B e C sob corrente contínua de 100 mA, em que todos os espectros foram normalizados para a emissão banda a banda. Os picos EL para os LEDs A, B e C foram em torno de 261, 265 e 268 nm, respectivamente. Obviamente, o pico EL mostrou um desvio para o vermelho à medida que a largura QW aumentava. Além disso, deve-se notar que um fraco pico parasitário em torno de 304 nm existia no espectro de EL no LED A, que foi esclarecido por estar relacionado com o estouro de elétrons [20]. A Figura 1b mostra o EQE relativo em função da corrente de pulso para todos os LEDs. Todos os valores foram normalizados para o EQE máximo do LED B. O EQE máximo do LED B foi cerca de 6,8 e 4,8 vezes do que os dos LEDs A e C, respectivamente.

a Os espectros RT EL para LEDs A, B e C sob corrente contínua de 100 mA. Todos os espectros foram normalizados para a emissão banda a banda. b O EQE relativo em função da corrente de pulso

Para entender o motivo, o APSYS foi usado para simular os níveis de energia e as funções de onda dos portadores. A Figura 2a – c mostra as estruturas de banda, o nível do estado fundamental e as funções da onda portadora em um QW sob corrente de 100 mA para os LEDs A, B e C, respectivamente. Devido ao grande campo interno induzido pelo efeito de polarização e a polarização direta aplicada, a estrutura de banda de QW mostrou uma forma inclinada e a sobreposição espacial das funções de onda de elétrons e buracos tornou-se menor à medida que a largura de QW aumentou devido ao confinamento quântico Efeito total (QCSE). A lacuna de energia dos estados fundamentais para os LEDs A, B e C foram 4,733, 4,669 e 4,637 eV, respectivamente, que coincidiram bem com o comprimento de onda de emissão, conforme mostrado na Fig. 1a. Além disso, deve-se notar que a capacidade confinada dos portadores pelos QWs diminuiu conforme a largura do QW diminuiu. O efeito confinado por quantum resultou no aumento do nível do estado fundamental à medida que a largura QW diminuiu. Os valores da altura da barreira foram 0,030, 0,057 e 0,069 eV para os LEDs A, B e C, respectivamente. Portanto, o EQE do LED A foi menor do que o do LED B devido ao estouro da corrente de elétrons, o que pode ser confirmado pelo óbvio pico parasitário mostrado na Fig. 1a. Embora o LED C tivesse a barreira mais alta para o estouro de elétrons em todos os dispositivos, seu EQE ainda era menor do que o do LED B devido ao QCSE.

A estrutura de banda, o nível do estado fundamental e as funções de onda portadora em um QW sob corrente de 100 mA para ( a ) LED A, ( b ) LED B e ( c ) LED C

O EQE em baixa temperatura foi medido para avaliar o desempenho do dispositivo. A Figura 3a mostra o EQE relativo medido a 5 K. Todos os valores foram normalizados para o EQE máximo do LED B. Obviamente, a corrente de injeção para o EQE máximo diminuiu significativamente em comparação com aqueles em RT para todos os dispositivos. O EQE máximo do LED B foi cerca de 8,2 e 1,6 vezes do que os dos LEDs A e C, respectivamente. O EQE dependente da corrente foi medido em diferentes temperaturas. A Figura 3b mostra o EQE relativo dependente da corrente em diferentes temperaturas para o LED B. Todos os valores foram normalizados para o EQE máximo em 10 K. Pode ser visto que a corrente para o EQE máximo diminuiu conforme a temperatura diminuiu. O mesmo fenômeno foi encontrado para todos os três LEDs. Era bem conhecido que em materiais a granel a concentração do orifício diminuiria rapidamente com a diminuição da temperatura devido à alta energia de ionização de Mg em p-AlGaN. Em nossa estrutura, foi demonstrado que a concentração do orifício também diminuiu com a redução da temperatura [21]. Também simulamos a distribuição do orifício em diferentes temperaturas. A Figura 4 mostra as concentrações de orifícios na região ativa em 100 e 300 K para LED B sob a injeção de 100 mA. Obviamente, a concentração do orifício diminuiu conforme a temperatura diminuiu. Além disso, a corrente de elétrons que transbordou de QWs pode ser expressa como [22].

a O EQE relativo em 5 K e ( b ) o EQE relativo dependente da corrente em diferentes temperaturas para o LED B

As concentrações de orifícios na região ativa em 100 e 300 K para LED B sob a injeção de 100 mA

\ ({J} _ {\ mathrm {overflow}} =D {\ left (\ frac {\ Delta E} {kT} \ right)} ^ 3 qBl \)

onde D é uma constante, Δ E é a diferença do nível de Fermi e da borda da banda dos poços quânticos, K é a constante de Boltzmann, T é a temperatura, q é a carga do elétron, B é o coeficiente de recombinação radiativa bimolecular, e l é a espessura de MQWs. Para um determinado LED, a contribuição da variação de Δ E para J _estouro poderia ser negligenciado em comparação com o de T conforme a temperatura diminuía. Portanto, o J _estouro aumentou significativamente a 5 K em comparação com a RT, que se acreditava ser a principal razão para a diminuição da corrente de injeção na qual o EQE máximo atingiu. O J _estouro diminuiu com o aumento da temperatura, resultando no aumento da corrente de injeção para o EQE máximo, conforme mostrado na Fig. 3b. Em baixa temperatura, a eficiência interna aumentaria devido ao congelamento de centros não radiativos, como os deslocamentos, o que era benéfico para o LED C com maior volume de região ativa. Esta foi a razão mais possível pela qual a razão EQE do LED B para o LED C diminuiu em 5 K em comparação com a RT. Da mesma forma, a razão EQE do LED B para o LED A aumentou em 5 K em comparação com o RT.

Conclusões

Nós estudamos a influência da largura QW nas propriedades EL dos LEDs AlGaN DUV em diferentes temperaturas. Os espectros de EL mostraram um desvio para o vermelho conforme a largura QW aumentava. O EQE máximo para LED com largura de QW de 3,5 nm foi cerca de 6,8 e 4,8 vezes do que aqueles de 2 e 5 nm em RT, respectivamente. No entanto, esses valores mudaram para 8,2 e 1,6 a 5 K, respectivamente. As diferentes mudanças nas razões EQE máximas foram atribuídas à diminuição da recombinação não radiativa e ao aumento do volume da região ativa. A partir da análise teórica, o LED com poços de 2 nm mostrou uma barreira mais rasa para o estouro de elétrons devido ao efeito confinado quântico, enquanto o LED com poços de 5 nm mostrou uma menor sobreposição de elétron e buraco devido ao grande campo interno. Portanto, o LED com 3,5 nm QWs apresentou o maior EQE máximo. À medida que a temperatura diminuía, a corrente para o EQE máximo diminuía para todos os LEDs, o que se acreditava ser devido ao aumento do transbordamento de elétrons para fora dos QWs e à diminuição da concentração do buraco. O EQE máximo para LED com largura de QW de 3,5 nm foi cerca de 8,2 e 1,6 vezes daqueles de 2 e 5 nm a 5 K, respectivamente, o que se acreditava ser devido à diminuição dos centros de recombinação não radiativa e ao aumento do volume da região ativa.

Abreviações

LEDs DUV:: Diodos emissores de luz ultravioleta profundos
EL:: Eletroluminescência
EQE:: Eficiência quântica externa
MQW:: Poço quântico múltiplo
PL:: Fotoluminescência
QCSE:: Efeito Stark confinado por quantum
QW:: Bem quântico
RT:: Temperatura do quarto

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