Espalhamento de Corrente Aprimorado em LEDs UV Profundo Baseados em AlGaN via Estruturas PNP-AlGaN

Resumo

Investigamos diodos emissores de luz ultravioleta profundo (DUV LEDs) baseados em AlGaN incorporando uma camada de espalhamento de corrente p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN (PNP-AlGaN). A estrutura PNP-AlGaN introduz uma barreira de banda de valência que remodela o fluxo de corrente lateral, melhorando tensão direta, eficiência quântica externa (EQE), potência óptica e eficiência de plugue de parede (WPE) comparado com DUV LEDs convencionais sem este recurso.

Introdução

Desde sua primeira demonstração em 2003, DUV LEDs baseados em AlGaN emergiram como componentes-chave para esterilização de água, purificação de ar e outras aplicações UV [1–7]. No entanto, quando comprimentos de onda de emissão caem abaixo de 300 nm, EQE tipicamente permanece abaixo de 10% [8], principalmente devido à limitada eficiência quântica interna (IQE) governada por injeção de portadores e recombinação mediada por discordâncias [8]. Muitos dispositivos DUV são fabricados em safira usando arquitetura flip-chip para melhorar extração de luz, mas isso requer ambos eletrodos n e p no mesmo lado, o que induz densidade de corrente lateral não uniforme e o notório efeito de acúmulo de corrente [9]. Acúmulo de corrente pode gerar aquecimento Joule local e saída de luz desigual [10–12], encurtando vida útil do dispositivo. Baixa eficiência de dopagem Mg em p-AlGaN rico em Al prejudica ainda mais condutividade elétrica [13], sublinhando necessidade de espalhamento de corrente melhorado.

Enquanto várias estratégias — implantação iônica seletiva, camadas de bloqueio de corrente, engenharia de lacunas de nitrogênio e contatos ôhmicos otimizados — mitigaram com sucesso acúmulo de corrente em LEDs azuis baseados em GaN [15–21], soluções análogas para DUV LEDs são escassas. Aqui propomos uma camada de espalhamento de corrente p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN (PNP-AlGaN) que gera barreira de banda de valência, modulando a resistividade da camada de injeção de lacunas tipo-p e direcionando fluxo de corrente lateral. Ao otimizar o design PNP-AlGaN, demonstramos ganhos significativos em EQE, WPE e tensão direta reduzida. Também conduzimos estudo paramétrico abrangente sobre impacto do número de loops PNP, dopagem Si, espessura de camada e composição AlN no desempenho do dispositivo.

Métodos de Pesquisa e Modelos Físicos

Todos os dispositivos simulados consistem de base n-Al_0,60Ga_0,40N de 4-µm (Si 5 × 10¹⁸ cm⁻³), seguida por cinco períodos de poços quânticos múltiplos (MQWs) 3-nm Al_0,45Ga_0,55N/12-nm Al_0,56Ga_0,44N. Os MQWs são limitados com camada de bloqueio de elétrons (EBL) p-Al_0,60Ga_0,40N de 18-nm, camada p-Al_0,40Ga_0,60N de 198-nm, e tampa p-GaN de 50-nm. Concentrações de lacunas são definidas a 3 × 10¹⁷ cm⁻³ ao longo. Para dispositivos PNP-AlGaN, a camada p-Al_0,40Ga_0,60N convencional é substituída por pilha p-Al_0,40Ga_0,60N/n-Al_xGa_1-xN/p-Al_0,40Ga_0,60N, como mostrado na Fig. 1b. A inserção n-Al_xGa_1-xN é dopada com Si (5,3 × 10¹⁷ cm⁻³) e 20-nm espessa, criando barreira de banda de valência que molda fluxo de corrente lateral (Fig. 1c).

Para ilustrar o mecanismo, modelamos o DUV LED em safira como circuito equivalente (Fig. 2a). Com camada de espalhamento de corrente fina (≈200 nm) e camada de injeção n-AlGaN grossa (≈4 µm), a densidade de corrente lateral diminui do eletrodo p para fora, produzindo acúmulo de corrente. Introduzindo PNP-AlGaN divide a corrente total em componente vertical (J₁) e componente horizontal (J₂) como representado na Fig. 2b. A relação segue

$$\frac{J_1}{J_2}\approx\frac{l}{\frac{\rho_p}{\rho_{\mathrm{CL}}}t_p+\frac{N\cdot\rho_{\mathrm{PNP}}}{\rho_{\mathrm{CL}}}}$$

onde ρ_p é resistividade da camada p, ρ_CL resistividade da camada de espalhamento, ρ_PNP resistividade interfacial de cada junção PNP, e N contagem de junções. Esta expressão mostra que reduzir ρ_CL ou aumentar ρ_PNP (via n-AlGaN mais espesso ou mais fortemente dopado) melhora corrente horizontal J₂, melhorando espalhamento.

Física do dispositivo é simulada com APSYS, empregando razão 50:50 de deslocamento banda de condução/valência para heterojunções AlGaN/AlGaN, 40% carga de polarização, coeficiente Auger 1,0 × 10⁻³⁰ cm⁶/s, tempo de vida SRH 10 ns, e eficiência de extração de luz 8% para DUV LEDs [33].

Resultados e Discussões

Efetividade da Junção PNP-AlGaN

Comparando LED de referência A (sem PNP-AlGaN) com LED B (dois loops PNP-AlGaN), observamos que lacunas encontram duas barreiras de banda de valência antes de atingir MQWs, o que promove homogeneização lateral (Fig. 3a). Distribuição lateral de lacunas no último poço quântico (LQW) confirma perfil mais uniforme para LED B (Fig. 3b), alinhando com análise de banda de energia.

Concentração de lacunas e perfis de recombinação radiativa a 230 µm da borda da mesa revelam que LED B beneficia-se de maior injeção de lacunas nos MQWs, levando a aumento de 22,2% na EQE (3,38% → 4,13%) e leve aumento na tensão direta (Fig. 5b). Apesar disso, a eficiência de plugue de parede (WPE) melhora de 3,56% para 4,27% (Fig. 5c). Queda de tensão mais pronunciada através da junção PNP-AlGaN explica o droop de WPE observado em altas densidades de corrente (Fig. 8).

Otimização da Espessura de n-AlGaN

Variando a inserção de n-AlGaN de 20-nm de 6 a 34 nm, aumentamos sistematicamente altura da barreira de banda de valência (Tabela 1). Barreiras aprimoradas aumentam resistividade interfacial (ρ_PNP), impulsionando mais corrente lateral e distribuindo lacunas uniformemente através do LQW (Fig. 6a). Correspondentemente, concentração de lacunas e recombinação radiativa nos MQWs aumentam, elevando EQE e potência óptica (Fig. 7a). No entanto, tensão direta sobe com altura da barreira, e WPE atinge pico em inserção de 20-nm antes de declinar para camadas mais espessas (Fig. 8). Estes resultados destacam o trade-off entre benefício de espalhamento e queda de tensão adicional, guiando espessura de inserção ótima.

Influência da Dopagem de n-AlGaN

Aumentando dopagem Si de 1,3 × 10¹⁷ a 1,73 × 10¹⁸ cm⁻³ na camada n-AlGaN de 20-nm eleva barreira de banda de valência (Tabela 2), o que melhora corrente horizontal e homogeneiza distribuição de lacunas (Fig. 9a). A resultante maior concentração de lacunas nos MQWs leva a recombinação radiativa e EQE melhoradas (Fig. 10a). No entanto, tensão direta sobe acentuadamente além de 1,33 × 10¹⁸ cm⁻³, indicando efeito diodo parasita, e WPE declina conforme consumo de tensão domina (Fig. 11).

Efeito da Contagem de Junções PNP-AlGaN

Com n-AlGaN fixo de 20-nm, 5,3 × 10¹⁷ cm⁻³ e AlN = 0,40, comparamos dispositivos com 1 a 4 loops PNP-AlGaN (LEDs N1–N4). Mais loops aumentam barreira cumulativa (Tabela 3), achatando ainda mais distribuição lateral de lacunas (Fig. 12a) e elevando concentração de lacunas e recombinação radiativa (Fig. 12b,c). EQE e potência de saída sobem com contagem de loops, enquanto tensão direta aumenta modestamente (Fig. 13b). WPE permanece estável, e tanto EQE quanto WPE saturam além de quatro loops, indicando retornos decrescentes quando camada p fica muito fina para suprir lacunas suficientes.

Composição AlN em n-AlGaN

Variando fração AlN na n-AlGaN de 20-nm de 0,40 a 0,51 eleva barreira de banda de valência (Tabela 4). Aumento moderado a 0,43 otimiza espalhamento de corrente sem bloquear excessivamente injeção de lacunas. Em composições mais altas, barreira torna-se demasiado grande, reduzindo penetração de lacunas (Fig. 15a,b). EQE melhora com composição até 0,43, enquanto tensão direta sobe com frações AlN mais altas (Fig. 16b). WPE atinge máximo a 0,51 para correntes acima de 89 A/cm², ilustrando necessidade de balancear espalhamento contra penalidade de tensão (Fig. 17).

Conclusões

O estudo demonstra que junção p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN (PNP-AlGaN) efetivamente melhora espalhamento de corrente em DUV LEDs baseados em AlGaN. Ao ajustar espessura de inserção, dopagem Si, composição AlN e contagem de junções, a resistência vertical é aumentada enquanto corrente horizontal é aprimorada, levando a maior EQE e WPE. No entanto, altura de barreira excessiva ou junções demais elevam tensão direta e podem reduzir WPE. Portanto, design balanceado — otimizando todos os quatro parâmetros — é essencial para maximizar eficiência do dispositivo.