Desempenho aprimorado de diodos emissores de luz ultravioleta profunda com base em AlGaN com camada de desaceleração de elétrons de superrede chilrada

Resumo

Diodos emissores de luz ultravioleta profunda (DUV) baseados em AlGaN (LEDs) sofrem de estouro de elétrons e injeção insuficiente de orifícios. Neste artigo, novas estruturas de LED DUV com camada de desaceleração de elétrons super-rede (SEDL) são propostas para desacelerar os elétrons injetados na região ativa e melhorar a recombinação radiativa. Os efeitos de vários SEDLs chirped no desempenho dos LEDs DUV foram estudados experimentalmente e numericamente. Os LEDs DUV foram cultivados por deposição de vapor químico orgânico de metal (MOCVD) e fabricados em 762 × 762 μm ² chips, exibindo emissão de pico único a 275 nm. A eficiência quântica externa de 3,43% e a tensão de operação de 6,4 V são medidas em uma corrente direta de 40 mA, indicando que a eficiência do plugue de parede é 2,41% dos LEDs DUV com SEDL chilreado com conteúdo de Al ascendente. O mecanismo responsável por esta melhoria é investigado por simulações teóricas. O tempo de vida do LED DUV com SEDL chilreado de conteúdo de Al ascendente é medido em mais de 10.000 h em L50, devido à promoção de injeção de portador.

Introdução

Nos últimos anos, diodos emissores de luz ultravioleta profunda (DUV) baseados em AlGaN, cujos espectros atribuídos a UVB (320 nm – 280 nm) e UVC (280 nm – 100 nm), têm atraído muita atenção por causa de suas aplicações em iluminação de plantas, fototerapia, purificação de água e esterilização de ar e superfície [1,2,3,4,5,6]. No entanto, a potência de saída de luz (LOP) dos LEDs DUV baseados em AlGaN de última geração cai significativamente à medida que o comprimento de onda de emissão de luz fica mais curto [7, 8]. Esses LEDs DUV sofrem de baixa eficiência quântica interna (IQE), eficiência de extração de luz (LEE) e eficiência de injeção de portador (CIE) [9,10,11,12,13]. Geralmente, IQE deficiente é causado por grande densidade de defeitos e luxações de rosca, enquanto LEE insuficiente é devido à polarização de materiais AlGaN e à absorção pela camada de contato p-GaN não transparente [14,15,16,17,18]. Além disso, o estouro de elétrons é a principal razão para o CIE pobre, que é devido à densidade de buraco inadequada e a mobilidade significativamente desequilibrada de elétron e buraco em materiais AlGaN [19, 20].

Convencionalmente, a camada de bloqueio de elétrons (EBL) do tipo p de alto teor de Al é usada para suprimir o estouro de elétrons. Mas apenas alguns orifícios podem ser injetados na região ativa através da barreira na banda de valência introduzida pelo EBL, e ainda menos orifícios podem cruzar as barreiras da região ativa e transportar para os poços quânticos perto de camadas do tipo n devido ao baixo eficiência de ativação do dopante Mg e pequena mobilidade dos orifícios [21]. Várias tentativas têm sido feitas para melhorar a injeção de elétrons e orifícios, como a camada de barreira de orifícios, especificamente projetada para a última barreira, EBL e múltiplas estruturas de poços quânticos [22,23,24,25,26]. No entanto, o desempenho dos LEDs DUV não é substancialmente melhorado.

Neste trabalho, propusemos uma nova estrutura de LED DUV com camada de desaceleração de elétrons super-rede (SEDL) para desacelerar a injeção de elétrons e restringir o estouro de elétrons sem comprometer a injeção do buraco. Estudamos os efeitos de vários SEDLs no desempenho dos LEDs DUV experimental e numericamente. Os LEDs DUV foram cultivados por deposição de vapor químico orgânico de metal (MOCVD) e fabricados em 762 × 762 μm ² chips, exibindo emissão de pico único a 275 nm. A eficiência quântica externa (EQE) de 3,43% e a tensão de operação de 6,4 V foram medidas em uma corrente direta de 40 mA, indicando que a eficiência do plugue de parede é 2,41% dos LEDs DUV com conteúdo ascendente de Al chirped SEDL. A vida útil do LED DUV com SEDL chilreado de conteúdo de Al ascendente é medida em mais de 10.000 h em L50. Além disso, o mecanismo de melhoria de desempenho é investigado por simulação teórica. Verifica-se que os SEDLs chirped são capazes de equilibrar a injeção de elétrons e orifícios na região ativa, o que promove a recombinação radiativa nos primeiros poços quânticos próximos a camadas do tipo n.

Métodos e seção experimental

Epitaxia por MOCVD

Heteroestruturas DUV LED baseadas em AlGaN foram cultivadas usando um sistema MOCVD de parede fria vertical. Para a epitaxia de toda a estrutura, trimetilalumínio (TMA), trimetilgálio (TMG) e amônia (NH ₃ ) foram usados como as fontes Al, Ga e N, respectivamente. H ₂ foi usado como gás de arraste. A Figura 1a ilustra o esquema da estrutura do LED DUV com SEDL chilreado. O crescimento foi iniciado com AlN de 2,7 μm de espessura, usando o método de crescimento com camada intermediária de gradiente de AlN inicial para modificação do modo de crescimento [27], em seguida, um Al dopado com Si de 3 μm de espessura _0,6 Ga _0,4 Camada de contato do tipo N, cuja concentração de elétrons e mobilidade desta camada do tipo n são medidas como 4,5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ e 52 cm ² / V s, respectivamente, pelo sistema Hall. Ele é seguido pelo SEDL não dopado de 40 nm de espessura. Figura 1b – e. mostra as estruturas de banda do DUV LED convencional e três propostas DUV LED com SEDL, denominadas amostras A, B, C e D, respectivamente. Conforme exibido na Fig. 1c, a amostra B tem um SEDL uniforme de Al homogêneo de 20 períodos _0,65 Ga _0,35 N / Al _0,5 Ga _0,5 N superrede. Os SEDLs chirped das amostras C e D são compostos por quatro conjuntos de superrede de 5 períodos com diferentes camadas de alto teor de Al, a saber, 0,7, 0,65, 0,6 e 0,55, enquanto a composição de Al das camadas de baixo teor de Al é mantido constante em 0,5. Para a amostra C, as composições de Al das camadas de alto teor de Al estão subindo gradualmente de baixo para cima, o que é contrário ao da amostra D, como mostrado na Fig. 1 d e e. As espessuras de cada camada para SEDL são definidas como 1 nm de forma constante. A região ativa dos LEDs DUV consiste em um Al _0.6 Ga _0,4 N:camada de revestimento de Si para espalhamento de corrente, seguido por poços quânticos múltiplos de 5 períodos, usando Al de 14 nm de espessura _0,57 Ga _0,43 Barreiras de N e Al de 2 nm de espessura _0,45 Ga _0,55 N poços. Então, Al _0.7 Ga _0,3 As camadas de contato do tipo N:Mg EBL e GaN:Mg p foram cultivadas em sequência. A concentração do orifício e a mobilidade de p-GaN são medidas como 3,6 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ e 15 cm ² / V s, respectivamente, pelo sistema Hall.

Simulação das estruturas projetadas do LED DUV com e sem SEDL. a Um esquema da estrutura DUV LED com SEDL chilreado. O SEDL de 20 períodos com diferentes composições de Al é inserido entre a camada de AlGaN tipo n e a camada de revestimento de espalhamento de corrente AlGaN. b Estrutura de banda inteira da amostra convencional ( a ) sem SEDL. A área destacada refere-se à região designada onde a SEDL deve ser inserida. c Estrutura de banda do SEDL da amostra ( b ), que é a superrede homogênea de 20 períodos Al0.5Ga0.5N / Al0.65Ga0.35N. Cada camada do SEDL tem 1 nm. d Estrutura de banda do SEDL da amostra ( c ), que é quatro conjuntos da superrede SEDL com teor de Al decrescente de 5 períodos com diferentes camadas de alto teor de Al, a saber, 0,7, 0,65, 0,6 e 0,55. e Estrutura de banda do SEDL da amostra ( d ), que é quatro conjuntos da superrede SEDL com conteúdo de Al ascendente de 5 períodos com diferentes camadas de alto teor de Al, a saber 0,55, 0,6, 0,65 e 0,7

Fabricação de dispositivos

Seguindo o crescimento do MOCVD, os LEDs DUV foram fabricados com técnicas de processamento padrão. Primeiro, estruturas de mesa com geometrias quadradas e em dedo foram formadas por ataque a seco até 150 nm abaixo do topo do Al dopado com Si _0,6 Ga _0,4 Camada de contato do tipo N n, seguida por um recozimento de 900 ° C para reparar o dano causado pelo ataque. Em seguida, a pilha de metal de contato Ti / Al / Ni / Au n foi depositada e recozida a 850 ° C em atmosfera de nitrogênio. Posteriormente, um filme de ITO foi evaporado e recozido a 250 ° C para o uso de contato p, seguido por evaporação de eletrodo espesso, deposição de camada de passivação, evaporação de almofada e corte furtivo em 762 × 762 μm ² salgadinhos.

Simulação

Para iluminar o mecanismo de aprimoramento de desempenho dos LEDs DUV, o diagrama de banda, as propriedades ópticas e as características de transporte de portadora desta estrutura foram simulados resolvendo a equação de Schrödinger, a equação de Poisson, as equações de transporte de portadora e a equação de continuidade de corrente de forma autoconsistente por Programas Crosslight APSYS (Advance Physical Model of Semiconductor Devices) [28]. O tempo de recombinação Shockley-Read-Hall (SRH) é definido como 1,5 ns para todas as camadas, exceto a camada inserida do tipo p como 1 ns, porque o tempo de vida do SRH depende do nível de dopagem [29]. A perda interna é de 2.000 m ⁻¹ [30]. O parâmetro de curvatura b é 1 eV, e a razão de deslocamento de banda é assumida como 0,7 / 0,3 para materiais AlGaN [31]. O coeficiente de recombinação Auger é definido como 1 × 10 ⁻³⁰ cm ⁶ / s para se adequar ao experimento [32]. Nesta simulação, as cargas de interface embutidas devido à polarização espontânea e piezoelétrica são calculadas com base no método proposto por Fiorentini et al. [33]. Além disso, levando em consideração a blindagem por defeitos, as densidades de carga superficial são assumidas em 40% dos valores calculados [34].

Resultados e discussão

Como quatro amostras possuem modelos idênticos de AlN e AlGaN tipo n, as qualidades cristalinas das amostras A, B, C e D foram medidas por difração de raios-X de alta resolução (HR-XRD). Como mostrado na Tabela 1, curvas de balanço de raios-X (XRC) ao longo do plano simétrico (002) e plano assimétrico (102) para ambas as camadas foram realizadas. Os resultados mostram que a largura total do XRC na metade do máximo (FWHM) e a densidade de deslocamento de rosca (TDD) de quatro amostras são quase iguais, indicando que a qualidade cristalina não é a principal razão para a melhoria do desempenho do dispositivo. Além disso, pode-se descobrir que as densidades de deslocamento de rosca (TDDs) na camada de AlGaN são maiores do que aquelas na camada de AlN, o que resultou de propriedades de cristal misturadas, defeitos de interface e impurezas de dopagem de Si [35]. De acordo com a pesquisa de Ban et al. sobre a correlação entre IQE e TDD, o IQE para todas as amostras neste trabalho é de aproximadamente 30–40% [36].

Para confirmar o crescimento bem-sucedido da nova estrutura, realizamos medições de microscopia eletrônica de transmissão de varredura de campo claro transversal (BF-STEM) para a amostra típica B como um representante, conforme mostrado na Fig. 2. Pode-se ver que os TDDs diminuição durante todo o processo de crescimento do AlN de 2,7 μm de espessura na Fig. 2a. A Figura 2b indica boa periodicidade e camada de quase 1 nm de espessura em cada período de SEDL. Além disso, cinco períodos de múltiplos poços quânticos com interfaces distintas são reconhecidos na Fig. 2c, dos quais as barreiras são de 14 nm e os poços são de cerca de 2,1 nm.

Caracterização da morfologia da amostra típica B. a Imagem de seção transversal STEM do modelo AlN. b Imagem STEM transversal na região de 20 períodos da SEDL. c Imagem STEM transversal na região ativa

A fim de investigar o desempenho do dispositivo, chips de DUV LED foram colados eutéticos em substrato de cerâmica de AlN para minimizar o efeito de aquecimento. Posteriormente, o substrato foi montado sobre uma placa hexagonal de alumínio por meio de pasta de solda. Em seguida, foram realizadas medidas elétricas e ópticas, utilizando o Sistema de Análise Fotoelétrica ATA-1000 equipado com uma esfera integradora de 30 cm de diâmetro [37]. A Figura 3a mostra as variações da potência de saída de luz (LOP) versus a corrente de injeção. Os LOPs da amostra D com SEDL de conteúdo de Al ascendente são 6,17 mW a 40 mA, 14,99 mW a 100 mA e 44,975 mW a 360 mA, que é um fator de três vezes maior do que aquele da amostra convencional A sem SEDL. Isso indica que SEDL é benéfico para a supressão de estouro de elétrons e injeção de buraco. Enquanto isso, pode-se observar uma leve saturação do LOP para quatro amostras, quando operando em vieses elevados, que está relacionada ao efeito de aquecimento e recombinação Auger [38]. O EQE contra a corrente de injeção é ilustrado na Fig. 3b. O EQE máximo é 3,43% a 40 mA para a amostra D, enquanto o EQE atinge o pico em apenas 1,17% para a amostra A. Enquanto isso, o LOP e EQE da amostra D com SEDL de conteúdo de Al ascendente são maiores do que aqueles da amostra B com uniforme e SEDLs com teor de Al em declínio, o que demonstra uma recombinação radiativa mais eficiente na amostra D. As características de corrente-tensão medidas para todas as amostras são mostradas na Fig. 3c. Pode ser reconhecido que a incorporação de SEDLs aumenta a tensão de operação de 5,13 V a 40 mA para a amostra A para 7,09 V a 40 mA para a amostra B, devido ao aumento da resistividade da composição de alto Al SEDL. Além disso, pode ser visto que a tensão de operação é menor para as amostras C e D do que para a amostra B. De acordo com o projeto da estrutura e a medição de transmissão para as amostras de camada única, a composição média de Al das barreiras da amostra C e D SEDL é de 62,5%, enquanto o da amostra B é de 65%. O maior teor de Al leva a menor eficiência de dopagem e maior resistência, resultando no aumento da tensão de operação. Vale ressaltar que a tensão da amostra D é de 6,4 V a 40 mA, resultando em uma eficiência máxima de tomada de parede (WPE) de 2,41%. Os espectros de eletroluminescência a 10 mA são mostrados na Fig. 3d. As emissões de pico de quatro amostras são em torno de 275 nm, e a tendência de intensidade de pico é a mesma que LOP. Isso também indica que o SEDL com chilreio de conteúdo de Al crescente está disponível para o aprimoramento do desempenho do dispositivo LED DUV.

Características elétricas e ópticas de amostras com diferentes SEDLs em temperatura ambiente. a Dependência do LOP da corrente de injeção sob as polarizações CW. b Dependência do EQE da corrente de injeção sob as polarizações CW. c Dependência da corrente de injeção da tensão de operação. d Espectros de EL de todas as amostras na corrente de injeção de 10 mA, cujas emissões de pico estão em torno de 275 nm

Para lançar luz sobre o mecanismo responsável por esta melhoria, simulações teóricas foram realizadas pelo programa APSYS e os resultados são exibidos na Fig. 4. A densidade de corrente de elétrons e as distribuições de densidade de corrente de buraco perto da região ativa a 200 mA são calculadas na Fig. 4 a e b. Pode-se descobrir que as densidades de corrente de injeção de elétrons de amostras com SEDL são ligeiramente menores do que aquelas da amostra A sem SEDL, enquanto a situação é inversa para a corrente de injeção de buraco, ilustrando que SEDL é capaz de desacelerar o elétron do tipo n Camada de injeção de elétrons AlGaN e promover a injeção de orifício em conformidade. As taxas de recombinação radiativa para todas as amostras foram calculadas na Fig. 4c. Com a incorporação de diferentes SEDLs, a taxa de recombinação radiativa nos poços quânticos próximos à camada tipo n é obviamente aumentada. Enquanto isso, da amostra A para a amostra D, as taxas de recombinação radiativa nos cinco poços quânticos estão gradualmente se tornando uniformes, o que é quase o mesmo para a amostra D com teor de Al ascendente com SEDL chilreado. Isso indica ainda que SEDL pode equilibrar a injeção de portadores de elétrons e orifícios na região ativa e promover a recombinação radiativa nos primeiros poços quânticos próximos a camadas do tipo n, entretanto. Como resultado, os IQEs para as quatro amostras foram simulados e plotados na Fig. 4d. O IQE da amostra D é o mais alto, o que é consistente com o EQE da Fig. 4b. Além disso, a queda de eficiência na amostra com SEDL é aparentemente melhorada. Em toda a faixa de corrente de injeção, a queda de eficiência é 70,33%, 59,79%, 48,93% e 36,26% para as amostras A, B, C e D, respectivamente, que é definida como a queda de eficiência =(IQE _máx. - IQE _{250 mA} ) / IQE _máx. . A queda de eficiência é geralmente considerada como sendo causada por vazamento de elétrons e injeção insuficiente de orifícios [39]. A melhoria da queda da eficiência esclarece que o SEDL pode equilibrar o transporte do portador para a região ativa e promover a recombinação radiativa nos poços quânticos, melhorando o desempenho do dispositivo em última instância.

Simulações e análises teóricas. a Densidade de corrente de elétrons na região ativa na corrente de injeção de 200 mA. b Densidade de corrente de furo na região ativa na corrente de injeção de 200 mA. c Taxa de recombinação radiativa nos poços quânticos múltiplos na corrente de injeção de 200 mA. d Dependência do IQE calculado da corrente de injeção

A vida útil dos dispositivos foi medida em 20 mA e temperatura ambiente. Para cada amostra, para garantir a precisão dos resultados, 10 chips foram selecionados aleatoriamente e a média do LOP relativo deles em diferentes tempos de estresse foi representada na Fig. 5. Como é mostrado, em comparação com a amostra A, o tempo de vida das amostras com SEDL é obviamente estendido. A degradação dos dispositivos LED está parcialmente relacionada ao acúmulo de defeitos, canais condutores ôhmicos e injeção de portadora deficiente [40]. A melhoria do tempo de vida verifica ainda se o SEDL poderia equilibrar o transporte de elétrons e lacunas e promover a injeção de portador na região ativa. Além disso, a vida útil média da operação para a amostra D com SEDL escalonado de conteúdo de Al ascendente é superior a 10.000 h em L50, o que é adequado para a aplicação prática.

O LOP relativo em função do tempo de envelhecimento para todas as amostras a 20 mA e à temperatura ambiente. O envelhecimento é interrompido quando o LOP relativo está abaixo de 50%. Curvas pretas, vermelhas, verdes e azuis representam amostras a , b , c , e d , respectivamente. O tempo de vida da amostra D com SEDL chilreado de conteúdo de Al ascendente é superior a 10.000 h em L50

Conclusão

Os efeitos da camada de desaceleração de elétrons da super-rede chirped nos LEDs DUV são investigados experimentalmente e numericamente. Os resultados indicam que os SEDLs chirped são capazes de equilibrar a injeção de elétrons e orifícios na região ativa, o que promove a recombinação radiativa nos primeiros poços quânticos próximos às camadas do tipo n. O aumento da recombinação radiativa leva ainda mais ao aprimoramento do desempenho do dispositivo LED DUV. Os LEDs DUV baseados em AlGaN foram fabricados em 762 × 762 μm ² chips, exibindo emissão de pico único a 275 nm. Eficiência quântica externa de 3,43% e voltagem operacional de 6,4 V são medidas em uma corrente direta de 40 mA, demonstrando que a eficiência do plugue de parede é 2,41% dos LEDs DUV com SEDL chilreado com conteúdo de Al ascendente. O tempo de vida do LED DUV com SEDL chilreado de conteúdo de Al ascendente é medido em mais de 10.000 h em L50, devido à promoção de injeção de portador. Melhorias adicionais podem ser esperadas com a introdução do laser lift-off, rugosidade da superfície, eletrodo refletor e encapsulamento. Em geral, o LED DUV projetado com SEDL chilreado mostra propriedade elétrica satisfatória, desempenho óptico favorável e confiabilidade desejável, o que é promissor para purificação de água de alta eficiência e esterilização de superfície.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados e materiais do manuscrito estão disponíveis.

Abreviações

APSYS:: Modelo Físico Avançado de Dispositivos Semicondutores
BF-STEM:: Microscopia eletrônica de transmissão de varredura de campo claro
CIE:: Eficiência de injeção de transportador
DUV:: Ultravioleta profundo
EBL:: Camada de bloqueio de elétrons
EQE:: Eficiência quântica externa
FWHM:: Largura total pela metade no máximo
HR-XRD:: Difração de raios-x de alta resolução
IQE:: Eficiência quântica interna
LED:: Diodo emissor de luz
LEE:: Eficiência de extração leve
LOP:: Potência de saída de luz
MOCVD:: Deposição de vapor químico orgânico de metal
SEDL:: Camada de desaceleração de elétrons de superrede
SRH:: Shockley-Read-Hall
TDD:: Densidade de deslocamento de rosca
TMA:: Trimetilalumínio
TMG:: Trimetilgálio
WPE:: Eficiência de tomada de parede
XRC:: Curva de balanço de raio-x

Detecção de CH4 / CO2 / CO de gás misto com base em filtro óptico variável linear e conjunto de detector de termopilha Absorvedor de metamaterial de banda dupla ajustável e anisotrópico usando pares elípticos de grafeno-fósforo preto

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