Melhorando a propagação da corrente por meio da modulação local do tipo de dopagem na camada n-AlGaN para diodos emissores de luz ultravioleta profunda com base em AlGaN

Resumo

Neste relatório, modulamos localmente o tipo de dopagem no n Camada -AlGaN propondo camada de espalhamento de corrente estruturada de n-AlGaN / p-AlGaN / n-AlGaN (NPN-AlGaN) para diodos emissores de luz ultravioleta profundos baseados em AlGaN (LEDs DUV). Depois de inserir uma camada fina de p-AlGaN na camada fornecedora de elétrons n-AlGaN, uma barreira de banda de condução pode ser gerada no n Camada de fornecedor de elétrons do tipo p, que permite a modulação da distribuição de corrente lateral na camada de fornecedor de buraco do tipo p para LEDs DUV. Além disso, de acordo com nossos estudos, a concentração de dopagem de Mg, a espessura, a composição de AlN para a camada de inserção p-AlGaN e o número de junção NPN-AlGaN têm grande influência no efeito de espalhamento da corrente. Uma camada de espalhamento de corrente NPN-AlGaN adequadamente projetada pode melhorar a potência de saída óptica, a eficiência quântica externa (EQE) e a eficiência de tomada de parede (WPE) para LEDs DUV.

Introdução

Devido a várias aplicações, como desinfecção, purificação de água, tratamento médico e gravação óptica de alta densidade [1,2,3,4,5,6,7,8], esforços intensivos foram investidos para desenvolver AlGaN- de alta eficiência baseados em diodos emissores de luz ultravioleta profunda (LEDs DUV). No estágio atual, um progresso notável foi alcançado para melhorar a qualidade cristalina para filmes AlGaN ricos em Al, por exemplo, o crescimento de filmes AlN em substratos de safira nano-padronizados por epitaxia quase-Van der Waals assistida por grafeno pode liberar bastante a tensão e reduzir a densidade de deslocamento [9], que indica a eficiência quântica interna (IQE) de 80% [10]. É importante notar que tal IQE é medido pelo método de fotoluminescência de baixa temperatura, que não envolve nenhuma injeção de portador. No entanto, os LEDs DUV são operados por polarização elétrica, que está associada ao fluxo de corrente e ao transporte da portadora [11,12,13]. Outro aspecto muito importante em relação ao fluxo de corrente é o efeito de crowding de corrente, que ocorre facilmente quando o dispositivo é polarizado em um nível de corrente muito alto [14]. Os LEDs DUV têm uma eficiência de dopagem de Mg muito inferior na camada p-AlGaN com alto componente AlN [15, 16], levando a uma baixa condutividade elétrica. Além disso, os LEDs DUV adotam as estruturas flip-chip que apresentam o esquema de injeção lateral para a corrente. Portanto, em comparação com os LEDs UV, azul e verde baseados em InGaN / GaN, os LEDs DUV baseados em AlGaN são mais desafiados pelo atual efeito de aglomeração [17]. A ocorrência do efeito de aglomeração de corrente no eletrodo de contato p ou na borda da mesa leva a intensidade de eletroluminescência desigual nos poços quânticos múltiplos (MQWs) e ao aumento da temperatura da junção [18]. Como resultado, é realmente crucial promover o espalhamento de corrente lateral para LEDs DUV. Para tal, o eletrodo tipo p de tira múltipla estreita proposto permite uma distribuição uniforme da corrente, aumentando a eficiência do plugue de parede (WPE) em 60% [19]. Além disso, a camada de espalhamento de corrente ITO / ZGO (ZnGaO) pode espalhar melhor a corrente e melhorar a eficiência quântica externa (EQE), mas a resistividade interfacial aumentada nas interfaces ZGO / p-GaN torna o WPE menos aprimorado para LEDs DUV [20] .

Portanto, no estágio atual, a atenção da pesquisa está voltada para o lado p para facilitar a propagação da corrente para LEDs DUV. Neste trabalho, diferente de outras abordagens, propomos e provamos que a distribuição de corrente melhorada na camada de fornecedor de buraco tipo p para LEDs DUV pode ser alcançada pela engenharia da camada de fornecedor de elétrons n-AlGaN. A barreira de energia é gerada na banda de condução modulando o tipo de dopagem na camada fornecedora de elétrons, ou seja, a estrutura n-AlGaN / p-AlGaN / n-AlGaN (NPN-AlGaN) é proposta e parametricamente estudada. Nossos resultados mostram que a distribuição lateral para os orifícios pode ser homogeneizada usando a junção NPN-AlGaN, o que, portanto, aumenta a potência de saída óptica, a eficiência quântica externa e a eficiência do plugue de parede para LEDs DUV. Outra vantagem de nosso projeto é que, do ponto de vista do crescimento epitaxial, ter a camada de espalhamento de corrente na camada fornecedora de elétrons do tipo n permite aos epicultores mais liberdade na otimização das condições de crescimento.

Métodos de pesquisa e modelos de física

As estruturas NPN-AlGaN DUV LED são esquematicamente desenhadas na Fig. 1a. Em cada LED DUV estudado, temos um n-Al de 4 μm de espessura _0,60 Ga _0,40 N / p-Al _x Ga _{1− x} N / n-Al _0,60 Ga _0,40 Camada N, e a concentração de dopagem de Si do n-Al _0,60 Ga _0,40 A região N é 5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . Então, cinco pares de Al _0,45 Ga _0,55 N / Al _0,56 Ga _0,44 N camadas ativas de poços quânticos múltiplos (MQW) são projetadas, para as quais as espessuras de poços quânticos e barreiras quânticas são de 3 nm e 12 nm, respectivamente. Os MQWs são limitados por um p-Al dopado com Mg de 18 nm de espessura _0,60 Ga _0,40 Camada N servindo como o p-EBL, após o qual um p-Al dopado com Mg de 50 nm de espessura _0,40 Ga _0,60 Segue-se a camada N e uma camada p-GaN dopada com Mg de 50 nm de espessura. A concentração do furo para o p-EBL e as camadas fornecedoras do furo são definidas como 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . Projetamos a geometria do dispositivo com uma mesa retangular de 350 × 350 μm ² . A Figura 1b mostra os perfis de banda de condução esquemáticos quando duas junções NPN-AlGaN (ou seja, estrutura NPNPN-AlGaN) são empregadas na estrutura do LED DUV, e podemos ver as barreiras de energia existentes no p-Al empobrecido _x Ga _{1− x} N regiões. As barreiras de energia podem ajustar a distribuição de corrente horizontal na camada de fornecedor do orifício do tipo p. Observe, para garantir o fluxo de corrente através da junção n-AlGaN / p-AlGaN com polarização reversa, é muito importante ter a camada de inserção p-AGaN totalmente esgotada para que a junção NPN-AlGaN esteja em um modo de ruptura de alcance. [21]. Análise detalhada e discussões serão apresentadas posteriormente. Nosso LED DUV de referência é idêntico aos LEDs DUV NPN-AlGaN, exceto que o n-Al dopado com Si de 4 μm de espessura _0,60 Ga _0,40 A camada N é utilizada como a camada fornecedora de elétrons.

Para entender melhor o mecanismo físico para o efeito de espalhamento de corrente aprimorado que é habilitado pela junção NPN-AlGaN, um circuito equivalente para o LED DUV com um esquema de injeção de corrente lateral é mostrado na Fig. 2a. Podemos ver que a corrente flui da camada de fornecedor do furo tipo p para a região n-AlGaN ao longo das direções vertical e lateral. Se a resistência elétrica para a camada fornecedora de elétrons n-AlGaN for menor do que para a camada de espalhamento de corrente (CL), a corrente tende a se aglomerar na região sob o contato ôhmico tipo p, ou seja, I ₁> Eu ₂> Eu ₃>…> Eu _n [14]. A incorporação de junções NPN-AlGaN na estrutura do LED DUV pode suprimir o efeito destrutivo de aglomeração de corrente. Em seguida, simplificamos ainda mais os caminhos do fluxo de corrente para o LED NPN-AlGaN DUV na Fig. 2b, de modo que a corrente total possa ser dividida em uma porção vertical ( I ₁ ) e uma porção horizontal ( I ₂ ) do ponto A para apontar B . Portanto, a tensão total entre os dois pontos é compartilhada pela camada de espalhamento atual, a camada p-GaN, a camada p-AlGaN, as MQWs, as junções NPN-AlGaN e a camada n-AlGaN. Com base nos caminhos atuais de I ₁ e eu ₂ , Eqs. 1 e 2 são obtidos, respectivamente, e resolvendo as duas fórmulas anteriores, Eq. 3 é então derivado:
$$ {I} _1 {R} _ {\ mathrm {CL} - \ mathrm {V}} + {I} _1 {R} _X + {I} _1 \ bullet N \ bullet {R} _ {npn} + { I} _1 \ left ({R} _ {n- \ mathrm {V}} + {R} _ {nL} \ right) ={U} _ {\ mathrm {AB}}, $$ (1) $$ {I} _2 \ left ({R} _ {\ mathrm {CL} - \ mathrm {L}} + {R} _ {\ mathrm {CL} - \ mathrm {V}} \ right) + {I} _2 {R} _X + {I} _2 \ bullet N \ bullet {R} _ {npn} + {I} _2 {R} _ {n- \ mathrm {V}} ={U} _ {\ mathrm {AB}} , $$ (2) $$ \ frac {I_1} {I_2} =1 + \ frac {R _ {\ mathrm {CL} - \ mathrm {L}} - {R} _ {n- \ mathrm {L}} } {R _ {\ mathrm {CL} - \ mathrm {V}} + {R} _X + {R} _n + N \ bullet {R} _ {npn}} $$ (3)

onde R _CL-V e R _CL-L são as resistências vertical e horizontal para a camada de espalhamento de corrente, respectivamente; R _{n - V} e R _{n - L} denotam as resistências vertical e horizontal para a camada n-AlGaN, respectivamente; R _n é o somatório de R _{n - V} e R _{n - L} (ou seja, R _n = R _{n - V} + R _{n - L} ) para o caminho atual I ₁; o somatório da resistência para a região de injeção do furo tipo p e região MQW é representado por R _x; R _npn é a resistência interfacial induzida pela altura da barreira em cada junção NPN-AlGaN; N significa o número total para a junção NPN-AlGaN e a queda de tensão total entre os pontos A e B é descrito por U _AB . Vale a pena mencionar que a camada de espalhamento de corrente de 200 nm de espessura é muito mais fina do que a camada fornecedora de elétrons n-AlGaN de 4 µm para todos os dispositivos estudados. Portanto, um CL cuja resistência elétrica é muito maior do que para a camada n-AlGaN é obtido, ou seja, R _CL-L - R _{n - L} ≫ 0. É óbvio que a proporção de I ₁ / eu ₂ pode ser reduzido fazendo N × R _npn aumento de valor . Portanto, o efeito de espalhamento de corrente na camada de fornecedor de buraco tipo p pode ser melhorado usando a junção NPN-AlGaN na camada de fornecedor de elétron tipo n para estruturas de LED DUV. Por um lado, o N × R _npn o valor pode ser aumentado aumentando N . Por outro lado, o valor de R _npn é afetado pelo componente AlN, a espessura e a concentração de dopagem de Mg para a camada de inserção de p-AlGaN. Portanto, uma análise detalhada será conduzida nas discussões subsequentes.

O simulador Crosslight APSYS é usado para investigar a física do dispositivo, e os modelos que usamos são confiáveis de acordo com nossas publicações anteriores sobre LEDs baseados em nitreto azul, UVA e DUV [22,23,24]. Em nossos modelos físicos, a razão de deslocamento da banda de energia para a heterojunção AlGaN / AlGaN é definida como 50:50 [25]. O coeficiente de recombinação Auger, o tempo de vida de recombinação Shockley-Read-Hall (SRH) e a eficiência de extração de luz são definidos como 1,0 × 10 ⁻³⁰ cm ⁶ / s [26], 10 ns [27] e ~ 8% [28] para LEDs DUV, respectivamente. As cargas de interface induzidas por polarização na interface mal-combinada de rede são consideradas assumindo o nível de polarização de 40% [29].

Resultados e discussões

Influência da estrutura NPN-AlGaN no efeito de espalhamento atual para LEDs DUV

LED A (ou seja, o LED DUV de referência sem junção NPN-AlGaN) e LED B (ou seja, o LED DUV com junção NPN-AlGaN) foram investigados em primeiro lugar para sondar a influência da estrutura NPN-AlGaN na homogeneização da corrente para o Camada de fornecedor de furo tipo p. Cada junção NPN-AlGaN tem um p-Al de 20 nm de espessura _0,60 Ga _0,40 Camada de inserção de N, para a qual a concentração de dopagem de Mg é 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . A Figura 3a mostra o perfil da banda de energia quando a densidade da corrente é 170 A / cm ² para LED B. Duas barreiras de energia na banda de condução são formadas nas junções NPN-AlGaN, e a formação da barreira de energia é bem atribuída ao efeito de esgotamento do p-Al inserido _0,60 Ga _0,40 Camada N. As barreiras geradas no LED B induzem a resistência interfacial de R _npn na região de junção NPN-AlGaN, o que ajuda a diminuir I ₁ / eu ₂ conforme mencionado na Eq. 3, de modo que mais buracos fluirão ao longo do caminho atual I ₂ . Em seguida, calculamos e mostramos a concentração do orifício horizontal no último poço quântico (LQW) para os LEDs A e B quando a densidade de corrente é 170 A / cm ² , conforme apresentado na Fig. 3b. Podemos ver claramente que o LED B obtém um melhor espalhamento de corrente lateral quando comparado com o LED A. Assim, provamos que o NPN-AlGaN na camada fornecedora de elétrons tipo n facilita o efeito de espalhamento de corrente na camada fornecedora de buraco tipo p para LEDs DUV.

Além de mostrar a concentração do orifício lateral, também demonstramos os níveis de concentração do orifício no MQWs para os LEDs A e B na Fig. 4a. Podemos ver que, por causa do efeito de espalhamento de corrente aprimorado, a concentração do orifício nos MQWs é aprimorada para o LED B em comparação com a do LED A. O nível de concentração aprimorado do orifício nos MQWs favorece mais a recombinação radiativa para o LED B (ver Fig. 4b).

O impacto da junção NPN-AlGaN também é justificado pelos desempenhos ópticos e elétricos calculados para os LEDs A e B, conforme mostrado na Fig. 5. A Figura 5a apresenta o EQE e a densidade de potência óptica em função da corrente injetada para ambos os LEDs A e B. Podemos ver que o LED B tem maior EQE e densidade de potência óptica do que o LED A, graças ao efeito de espalhamento de corrente aprimorado e à eficiência de injeção de orifício habilitada pela junção NPN-AlGaN. Por exemplo, o aumento da densidade de potência óptica para LED B é de ~ 1,67% quando a densidade de corrente é 170 A / cm ² de acordo com a Fig. 5a. As investigações na Fig. 5b ilustram que a tensão direta para LED B com junção NPN-AlGaN tem um ligeiro aumento quando comparada com aquela para LED A. Atribuímos esse fenômeno às barreiras de energia nas regiões de depleção que são causadas pelo NPN-AlGaN junções. Felizmente, a tensão direta mais alta do LED B não tem um efeito prejudicial na eficiência da tomada de parede (WPE), e o WPE para o LED B excede aquele para o LED A quando a densidade de corrente de injeção é maior que ~ 56 A / cm ² como mostrado na Fig. 5c. Acreditamos que tanto o EQE quanto o WPE podem ser realizados uma vez que a junção NPN-AlGaN possa ser otimizada, o que será totalmente investigado como segue.

Efeito da composição de AlN para a camada p-AlGaN no efeito de espalhamento atual

Nesta seção, o impacto da composição de AlN para a junção NPN-AlGaN nas propriedades ópticas e elétricas para LEDs DUV é estudado. Para ilustrar claramente esse mecanismo, usamos cinco LEDs DUV, ou seja, LEDs C i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) com NPN-Al _{x diferente} Ga _{1− x} Junções N, para as quais as composições AlN para p-Al _x Ga _{1− x} Camadas de inserção N são 0,60, 0,63, 0,66, 0,69 e 0,72, respectivamente. A concentração de dopagem e espessura para o p-Al _x Ga _{1− x} A camada N tem 1,8 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ e 20 nm, respectivamente. Duas junções NPN-AlGaN, isto é, junção NPNPN-AlGaN são usadas para todos os dispositivos estudados. Em seguida, calculamos a altura da barreira da banda de condução para cada NPN-Al _x Ga _{1− x} Junção N para LEDs C i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) como mostrado na Tabela 1. É distinto ver que o valor da altura da barreira de condução aumenta conforme a composição de AlN para o p-Al _x Ga _{1− x} A camada de inserção N aumenta. A altura da barreira de alta condução pode resultar no valor de R _npn aumentar, e uma proporção diminuída de I ₁ / eu ₂ é disparado simultaneamente conforme mencionado na Eq. 3. Para provar esse ponto, as distribuições de orifícios laterais no último poço quântico para todos os dispositivos estudados quando a densidade de corrente é 170 A / cm ² são calculados e exibidos na Fig. 6a. Para LED C1, a distribuição de orifícios pode ser modulada após NPN-Al _0,60 Ga _0,40 A estrutura N é adotada, e é óbvio que o efeito de espalhamento atual obtém melhorias adicionais uma vez que o componente AlN da camada de inserção p-AlGaN aumenta até 0,63 para nossas estruturas.

a Concentração de orifício horizontal no LQW, b níveis de concentração do orifício e c perfis de recombinação radiativa nos MQWs para LEDs A e D i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) quando a densidade de corrente é 170 A / cm ² . Deslocamos propositalmente as curvas para b e c por 2 nm para facilitar a identificação

Demonstramos os níveis de concentração de orifícios simulados e perfis de recombinação radiativa nos MQWs para LEDs A e C i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) na Fig. 6b e c quando a densidade de corrente é 170 A / cm ² , respectivamente. Os níveis de concentração de buraco e perfis de recombinação radiativa são coletados no local de 120 μm de distância da borda direita da mesa. Nós deslocamos espacialmente os níveis de concentração de buraco e perfis de recombinação radiativa na Fig. 6b ec para os LEDs DUV investigados em 2 nm para uma identificação mais fácil, respectivamente. A menor concentração de orifício no MQWs é claramente observada para o LED A e, portanto, a menor recombinação radiativa também é mostrada na Fig. 6c. A concentração do orifício e a recombinação radiativa nos MQWs aumentam devido à adoção da junção NPN-AlGaN, e podem ser ainda mais aumentadas com o aumento da composição de AlN na camada de inserção p-AlGaN.

A densidade de potência óptica e EQE em função da densidade de corrente de injeção são posteriormente calculados e exibidos para os LEDs estudados na Fig. 7a. Conforme mostrado na figura, o EQE e a densidade de potência óptica aumentam quando a junção NPN-AlGaN é adotada. Além disso, o EQE e a densidade de potência óptica podem ser promovidos ainda mais conforme a composição de AlN para a camada de inserção p-AlGaN aumenta. Contribuímos com isso para a distribuição de orifícios lateral mais homogênea nos MQWs, como mostrado na Fig. 6a. As características de corrente-tensão para LEDs A e C i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) são apresentados na Fig. 7b. A tensão direta para o LED C1 mostra um pequeno aumento em comparação com o LED A e o LED C5 mostra a maior tensão direta. A figura inserida mostra a tensão direta para todos os LEDs estudados quando a densidade de corrente é 170 A / cm ² . É digno de nota que a tensão direta diminui para LEDs C2, C3 e C4 quando comparados com LED A. Embora a junção NPN-AlGaN aumente a resistência vertical para LEDs DUV, a concentração de portadora mais uniforme ao longo da direção horizontal melhora a condutividade horizontal, levando assim a uma redução da tensão direta. Isso indica que o efeito de espalhamento de corrente aprimorado pode ajudar a reduzir a tensão operacional direta para LEDs DUV, desde que a camada de espalhamento de corrente seja adequadamente projetada [30]. No entanto, nosso projeto modula o caminho da corrente induzindo barreiras e, portanto, uma altura de barreira muito alta pode sacrificar a condutância elétrica [21], por exemplo, LED C5.

a EQE e densidade de potência óptica em termos de corrente de injeção e b características de corrente-tensão para LEDs A e C i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5). Detalhe:as tensões diretas para LEDs A e C i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) quando a densidade de corrente é 170 A / cm ²

O WPE em função da densidade de corrente de injeção para todos os dispositivos estudados é exibido na Fig. 8. Quando comparado ao LED A, o WPE do LED C1 aumenta quando a junção NPN-AlGaN é adotada. WPE para LEDs C i ( eu =2, 3, 4 e 5) pode ser melhorado ainda mais quando a composição de AlN da camada p-AlGaN aumenta para a junção NPN-AlGaN. No entanto, o LED C2 mostra o WPE mais alto devido à menor tensão de operação direta, apesar da densidade de potência óptica relativamente baixa entre os LEDs C i ( eu =2, 3, 4 e 5). Além disso, mostramos o WPE e EQE na densidade de corrente de injeção de 170 A / cm ² para todos os dispositivos investigados na figura inserida. É bem sabido que o efeito de aglomeração de corrente é sério em uma alta densidade de corrente de injeção. A junção NPN-AlGaN para LED C5 funciona melhor na homogeneização da corrente. No entanto, o WPE não é satisfatório, uma vez que a tensão operacional direta aumenta significativamente. Portanto, deve-se otimizar totalmente o valor do componente AlN da camada de inserção p-AlGaN para a junção NPN-AlGaN antes que se possa obter o aprimoramento para EQE e WPE.

Relação entre WPE e a corrente de injeção para LEDs A e C i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5). Detalhe:o EQE e o WPE para os LEDs investigados estruturados com uma camada p-AlGaN com vários componentes de AlN quando a densidade de corrente é 170 A / cm ²

Efeito da concentração de dopagem de magnésio para a camada p-AlGaN no efeito de espalhamento atual

A largura da região de depleção para a junção NPN-AlGaN pode ser gerenciada variando a concentração de dopagem de Mg para a camada de inserção de p-AlGaN e a altura da barreira da banda de condução também mudará em conformidade. Assim, o valor de R _npn pode ser aumentado uma vez que a região de depleção para a junção NPN-AlGaN se torne ampla, e o valor de I ₁ / eu ₂ será reduzido, ou seja, o efeito de espalhamento atual para LEDs DUV pode ser melhorado. Para melhor elucidar o ponto, cinco LEDs DUV com diferentes concentrações de dopagem de Mg para a camada de inserção p-AlGaN na junção NPN-AlGaN foram projetados e investigados. Definimos as concentrações de dopagem de Mg para a camada p-AlGaN em 3 × 10 ¹⁷ , 7,5 × 10 ¹⁷ , 1,7 × 10 ¹⁸ , 2 × 10 ¹⁸ e 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ para LEDs D i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5), respectivamente. A espessura e a composição de AlN para a camada de inserção de p-AlGaN são 20 nm e 0,61, respectivamente. Adotamos duas junções NPN-AlGaN. Conforme mostrado na Tabela 2, a altura da barreira da banda de condução aumenta à medida que a concentração de dopagem de Mg aumenta para a camada p-AlGaN. Em seguida, calculamos e mostramos a concentração do orifício lateral no último poço quântico quando a densidade da corrente é 170 A / cm ² na Fig. 9a, e é óbvio que, em comparação com a distribuição lateral do orifício para o LED A, a distribuição lateral do orifício se torna mais uniforme quando a junção NPN-AlGaN é introduzida para os LEDs DUV. Além disso, uma distribuição de orifícios ainda mais homogeneizada pode ser obtida uma vez que a concentração de dopagem de Mg para a camada p-AlGaN na junção NPN-AlGaN aumenta.

a Concentração de orifício horizontal no LQW, b níveis de concentração do orifício e c perfis de recombinação radiativa nos MQWs para LEDs A e D i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) quando a densidade de corrente é 170 A / cm ² . Deslocamos propositalmente as curvas para b e c por 2 nm para facilitar a identificação

Em seguida, os níveis de concentração de furo calculados e perfis de recombinação radiativa nos MQWs são demonstrados para todos os LEDs estudados na Fig. 9b e c quando a densidade de corrente é 170 A / cm ² , respectivamente, e o local onde os dados são coletados está a 120 μm da borda direita da mesa. Como esperado, LEDs D i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) têm os maiores níveis de concentração de orifício e perfis de recombinação radiativa no MQWs quando comparados ao LED A, enquanto a concentração de orifício e recombinação radiativa aumentam com o aumento das concentrações de dopagem de Mg na camada p-AlGaN para os LEDs com junções NPN-AlGaN. Contribuímos com o aumento da concentração de orifícios nos MQWs para LEDs D i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) para o efeito de espalhamento de corrente aprimorado.

Devido ao efeito de aglomeração de corrente reduzido e à concentração crescente do orifício nos MQWs, LEDs D i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) mostram em conformidade o EQE promovido e a densidade de potência óptica (ver na Fig. 10a). As características de corrente-tensão para LEDs A e D i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) são ilustrados na Fig. 10b. Aparentemente, as tensões de operação direta para LEDs D i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) aumentam com o aumento da concentração de dopagem de Mg para a camada de inserção de p-AlGaN. Entre eles, o LED D5 mostra a maior tensão de ativação, e isso é atribuído ao diodo parasita que é causado pelo nível muito alto de concentração de dopagem de Mg na camada p-AlGaN. De acordo com a figura inserida da Fig. 10b, também é visto que o LED D5 mostra a maior tensão de operação direta entre todos os LEDs estudados quando a densidade da corrente de injeção é 170 A / cm ² .

a EQE e densidade de potência óptica em termos de corrente de injeção e b características de corrente-tensão para LEDs A e D i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5). Detalhe:as tensões diretas para LEDs A e D i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) quando a densidade de corrente é 170 A / cm ²

Para uma análise mais abrangente, calculamos o WPE como uma função da densidade de corrente de injeção para todos os LEDs estudados, conforme mostrado na Fig. 11. Os WPEs para LEDs D i ( eu =1, 2, 3 e 4) são maiores do que para o LED A. O WPE para o LED D5 excede o do LED A apenas quando a densidade da corrente de injeção é maior que 43 A / cm ² . O WPE mais baixo para o LED D5 na densidade de corrente é menor que 43 A / cm ² é devido ao consumo de tensão direta adicional na junção NPN-AlGaN conforme mencionado anteriormente. A partir da figura inserida, pode-se ver que o EQE mostra uma tendência ascendente com o aumento da concentração de dopagem de Mg para a camada p-AlGaN. No entanto, o WPE diminui com o aumento adicional da concentração de dopagem de Mg para a camada p-AlGaN. Portanto, concluímos que o efeito de espalhamento de corrente e a tensão direta são muito sensíveis ao nível de dopagem de Mg da camada de inserção de p-AlGaN.

Relação entre WPE e a corrente de injeção para LEDs A e D i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5). Detalhe:o EQE e o WPE para os LEDs investigados estruturados com uma camada p-AlGaN com várias concentrações de dopagem quando a densidade de corrente é 170 A / cm ²

Efeito da espessura da camada p-AlGaN no efeito de espalhamento atual

Nesta seção, o impacto da espessura da camada de inserção p-AlGaN na junção NPN-AlGaN no desempenho do LED é investigado. Em primeiro lugar, duas junções NPN-AlGaN (ou seja, junção NPNPN-AlGaN) são aplicadas para todos os LEDs DUV estudados, dos quais a composição de AlN e a concentração de dopagem para a camada p-AlGaN na junção NPN-AlGaN são 0,61 e 1,5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , respectivamente. Em seguida, definimos diferentes espessuras de 18, 20, 24, 28 e 32 nm para a camada p-AlGaN nos LEDs T i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5), respectivamente. As alturas de barreira da banda de condução calculadas para cada junção NPN-AlGaN são apresentadas na Tabela 3. Pode-se observar que a altura da barreira da banda de condução aumenta quando a camada p-AlGaN na junção NPN-AlGaN torna-se espessa, o que permite a redução de eu ₁ / eu ₂ e correspondentemente a propagação de corrente melhorada.

Calculamos e mostramos a concentração do orifício horizontal no LQW para os LEDs A e T i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) quando a densidade de corrente é 170 A / cm ² na Fig. 12a. Claramente, a distribuição do orifício se torna mais homogênea quando a junção NPN-AlGaN é introduzida na estrutura do LED DUV e se torna mais uniforme se a espessura da camada p-AlGaN na junção NPN-AlGaN ficar maior. O efeito de aglomeração de corrente reduzido é atribuído à maior altura da barreira da banda de condução na região de depleção causada pela camada p-AlGaN espessada na junção NPN-AlGaN. As Figuras 12b e c exibem os níveis de concentração de orifícios e perfis de recombinação radiativa, respectivamente, para LEDs A e T i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) na densidade de corrente de injeção de 170 A / cm ² . Os níveis de concentração de buraco e perfis de recombinação radiativa são coletados no local de 120 μm de distância da borda direita da mesa. Podemos ver que, quando comparado ao do LED A no MQWs, os LEDs T i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) mostram os níveis de concentração de orifício mais elevados e, portanto, perfis de recombinação radiativa mais elevados. Uma vez que a espessura da camada p-AlGaN é aumentada, a concentração de orifício ainda mais aprimorada e a recombinação radiativa nos MQWs podem ser obtidas.

A densidade de potência óptica observada e EQE para todos os LEDs estudados na Fig. 13a concordam bem com os resultados mostrados na Fig. 12c, de modo que o aumento da espessura para a camada p-AlGaN na junção NPN-AlGaN pode melhorar a densidade de potência óptica e EQE. Além disso, calculamos e mostramos as características de corrente-tensão para LEDs A e T i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) na Fig. 13b. Mostra que as tensões de operação direta para LEDs T i ( eu =1, 2, 3 e 4) exibem uma redução significativa em comparação com o LED A na densidade de corrente de injeção maior que 102 A / cm ² , que é devido ao efeito de espalhamento de corrente significativamente melhorado após a adoção do NPN-Al _0,61 Ga _0,39 Junção N conforme mencionado anteriormente. No entanto, uma camada p-AlGaN muito espessa pode causar um aumento na tensão de ativação devido ao diodo N-AlGaN / P-AlGaN parasita, por exemplo, o LED T5 tem a tensão operacional direta mais alta entre todos os LEDs investigados quando a corrente densidade é 170 A / cm ² , que também é mostrado na figura inserida da Fig. 13b.

Para este fim, é particularmente importante discutir mais detalhadamente o impacto de uma tensão operacional direta mais alta no desempenho do LED DUV. Portanto, calculamos o WPE para todos os dispositivos investigados e mostramos os resultados na Fig. 14. Podemos ver que o WPE para todos os LEDs com junção NPN-AlGaN exibe um aprimoramento distinto quando comparado ao do LED A. Os WPEs apresentados na inserção A figura também indica que o LED DUV com estrutura NPN-AlGaN pode economizar mais energia elétrica do que o LED A. Vale a pena mencionar que a espessura da camada p-AlGaN não pode ser melhorada às cegas, de modo que somente quando a espessura está devidamente configurada, então WPE totalmente maximizado pode ser obtido.

Efeito do número de junção NPN-AlGaN no efeito de espalhamento atual

Finalmente, investigamos a influência do número da junção NPN-AlGaN no efeito de espalhamento da corrente. O p-Al _0,61 Ga _0,39 A camada N é adotada na junção NPN-AlGaN para os LEDs DUV propostos nesta seção, para os quais a concentração de dopagem de Mg e a espessura são 1,5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ e 20 nm, respectivamente. LEDs N i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) têm 1, 2, 3, 4 e 5 junções NPN-AlGaN, respectivamente. Conforme apresentado na Tabela 4, as alturas da barreira de condução de todas as junções NPN-AlGaN são quase as mesmas para os LEDs N i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5). No entanto, a altura total da barreira de condução para NPN-Al _0,61 Ga _0,39 N junções em cada LED DUV investigado certamente aumentam quando mais NPN-Al _0,61 Ga _0,39 Junções N são utilizadas. Assim, o valor de N × R _npn pode ser aprimorado, o que ajuda a espalhar melhor a corrente horizontalmente, ou seja, o valor aumentado de I ₂ na Eq. 3 é favorecido. O efeito de espalhamento de corrente aprimorado pode ser observado na Fig. 15a. A concentração do orifício no LQW pode se tornar mais uniforme se o número de junção NPN-AlGaN se tornar mais.

Em seguida, os níveis de concentração de furo e perfis de recombinação radiativa nos MQWs para LEDs N i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) quando a densidade de corrente é 170 A / cm ² são exibidos na Fig. 15b e c, respectivamente. Coletamos os níveis de concentração do orifício e os perfis de recombinação radiativa no local de 120 μm de distância da borda direita da mesa. A concentração do orifício e a recombinação radiativa são melhoradas usando o NPN-Al _0,61 Ga _0,39 Junção N, e melhorias adicionais podem ser obtidas quando mais junções NPN-AlGaN são incluídas. Atribuída à concentração de orifício aprimorada nos MQWs, a densidade de potência óptica e EQE para os LEDs DUV com junção NPN-AlGaN também mostra uma melhoria significativa. As características de corrente-tensão para todos os dispositivos estudados são mostradas na Fig. 16b, que ilustra que as tensões de operação direta para LEDs N i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) são inferiores aos do LED A, e isso indica que o efeito de espalhamento da corrente pode ajudar a reduzir a tensão direta, uma vez que a concentração de dopagem de Mg, espessura e composição de AlN para o p- A camada AlGaN é adequadamente aplicada à junção NPN-AlGaN. A tensão de ativação para todos os LEDs com junção NPN-AlGaN é quase a mesma que para o LED A, o que ilustra o impacto insignificante da junção parasita N-AlGaN / P-AlGaN com polarização reversa se a concentração de dopagem de Mg no p- A camada AlGaN está configurada corretamente, ou seja, a camada p-AlGaN deve ser completamente esgotada antes que o dispositivo seja polarizado.

Por último, mas não menos importante, os WPEs também foram demonstrados para LEDs N i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) na Fig. 17. Os WPEs de todos os LEDs DUV com NPN-Al _0,61 Ga _0,39 A junção N foi promovida devido à tensão operacional direta reduzida. Na figura inserida, mostramos o EQE e o WPE para os LEDs A e N i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) quando a densidade de corrente é 170 A / cm ² . Embora o EQE e WPE para LEDs N i ( eu =1, 2, 3, 4 e 5) aumentam com o aumento do número de junção NPN-AlGaN, claramente, podemos ver que a magnitude do aumento está diminuindo gradualmente, o que indica que o número de junção NPN-AlGaN também deve ser definido com um número adequado e acreditamos firmemente que o dispositivo consumirá mais energia elétrica se muitas junções NPN-AlGaN forem adotadas nos LEDs DUV.

Conclusões

Para concluir, sugerimos incorporar a junção NPN-AlGaN na camada fornecedora de elétrons do tipo n para LEDs DUV. Após discussões abrangentes e sistemáticas, descobrimos que a junção NPN-AlGaN pode reduzir o efeito de aglomeração atual na camada do fornecedor do furo tipo p e melhorar a injeção do furo para LEDs DUV. A junção NPN-AlGaN pode ajustar a condutividade para a camada fornecedora de elétrons do tipo n, de modo que o caminho da corrente na camada fornecedora do orifício do tipo p possa ser manipulado. Para explorações adicionais, investigamos o impacto de diferentes parâmetros para junções NPN-AlGaN no efeito de espalhamento atual, o EQE e o WPE. Descobrimos que a corrente pode ser homogeneizada ainda mais se a composição de AlN, a concentração de dopagem de Mg, a espessura da camada de inserção de p-AlGaN e o número de junção NPN-AlGaN forem aumentados adequadamente. Embora o EQE possa ser promovido usando as junções NPN-AlGaN propostas, o WPE nem sempre está melhorando monotonicamente, o que surge da queda de tensão adicional nas barreiras dentro das junções NPN-AlGaN. Portanto, mais atenção deve ser dada ao projetar camadas de difusão de corrente NPN-AlGaN para LEDs DUV. No entanto, acreditamos firmemente que nossos resultados forneceram uma estratégia de design alternativa para reduzir o efeito de aglomeração atual para LEDs DUV. Enquanto isso, também introduzimos física de dispositivo adicional e, portanto, são muito úteis para a comunidade.

Disponibilidade de dados e materiais

Os dados e a análise no presente trabalho estão disponíveis com os autores correspondentes mediante solicitação razoável.

Abreviações

APSYS:: Modelos Físicos Avançados de Dispositivos Semicondutores
CL:: Camada de espalhamento atual
LEDs DUV:: Diodos emissores de luz ultravioleta profundos
EQE:: Eficiência quântica externa
ITO:: Óxido de índio estanho
LQW:: Ultimo quantum bem
MQWs:: Múltiplos poços quânticos
NPN-AlGaN:: n-AlGaN / p-AlGaN / n-AlGaN
IQE:: Eficiência quântica interna
SRH:: Shockley-Read-Hall
WPE:: Eficiência de tomada de parede
ZGO:: Galato de zinco

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