Otimização da Largura de Poço Quântico para Eletroluminescência Máxima em LEDs de Profundo UV AlGaN em Diferentes Temperaturas

Resumo

Investigamos como a espessura do poço quântico (PQ) influencia o desempenho de eletroluminescência (EL) de LEDs de profundo UV AlGaN em uma ampla faixa de temperatura. O LED com PQ de 3,5 nm exibiu aumento de 6,8 vezes na eficiência quântica externa (EQE) relativa ao dispositivo de 2 nm à temperatura ambiente (TA) e aumento de 8,2 vezes a 5 K. Inversamente, o dispositivo de 3,5 nm superou o de 5 nm por 4,8× a TA, mas apenas 1,6× a 5 K. Estas tendências decorrem de recombinação não radiativa reduzida e maior volume de região ativa em temperaturas mais baixas. Simulações revelam que poços de 2 nm fornecem a barreira mais rasa para transbordamento de elétrons devido ao confinamento quântico, enquanto poços de 5 nm sofrem mais do efeito Stark confinado quântico (QCSE). Consequentemente, o dispositivo de 3,5 nm entrega a maior EQE máxima em todas as temperaturas. À medida que a temperatura cai, a corrente necessária para atingir EQE de pico diminui para todos os LEDs, atribuída a transbordamento de elétrons aumentado e concentração de lacunas diminuída. Estes achados esclarecem a interação entre campos de polarização, transbordamento de elétrons e temperatura em LEDs de profundo UV AlGaN.

Contexto

LEDs de profundo UV baseados em AlGaN emergiram como componentes-chave para iluminação de estado sólido, esterilização e sensoriamento bioquímico. Avanços em qualidade de cristal, dopagem tipo p e arquitetura de dispositivo — como recozimento de alta temperatura de AlN, filmes espessos de AlN crescidos em safira e engenharia de defeitos em homoepitaxia — melhoraram consistentemente o desempenho. No entanto, alcançar alta eficiência quântica externa (EQE) permanece um desafio, largamente devido aos fortes campos espontâneos e piezoelétricos inerentes a nitretos wurtzita que induzem inclinação de banda e separação de portadores. Trabalho prévio de Hirayama et al. demonstrou que largura de PQ de 1,5-1,7 nm resulta na fotoluminescência mais brilhante em LEDs AlGaN de PQ única, enquanto poços mais finos sofrem recombinação não radiativa aumentada em heterointerfaces. Baseando-nos nestes insights, fabricamos LEDs DUV com três larguras de PQ distintas (2,0, 3,5 e 5,0 nm) para examinar sistematicamente como a espessura do poço e a temperatura operacional moldam as características de EL.

Métodos

Todos os dispositivos foram crescidos em safira plano-c usando deposição química de vapor metalorgânica (MOCVD). Um buffer de AlN de 1,0 µm foi seguido por camada não dopada Al0,6Ga0,4N de 0,5 µm e template n-Al0,6Ga0,4N de 1,0 µm, atingindo densidade de discordâncias de ~6×10⁹ cm⁻² (MET). A região ativa compreendia múltiplos PQs Al0,49Ga0,51N/Al0,58Ga0,42N com barreiras de 5,0 nm. Três amostras — LED A (PQ 2,0 nm), LED B (PQ 3,5 nm), LED C (PQ 5,0 nm) — foram fabricadas. Litografia padrão definiu junções p-n de 500 µm × 500 µm. Gravação por íons reativos expôs a camada ôhmica n-Al0,6Ga0,4N. Contatos Ti/Al/Ni/Au (15/80/12/60 nm) foram depositados por evaporação de feixe de elétrons e recozidos a 900 °C por 30 s em N₂. Contatos p transparentes usaram Ni/Au (6/12 nm) e foram recozidos em ar a 600 °C por 3 min; uma camada final Ni/Au (5/60 nm) completou o dispositivo. Espectros de EL foram registrados de 5 K a TA usando CCD UV-aprimorado Jonin Yvon Symphony, resfriado a nitrogênio líquido. Injeção pulsada (pulsos de 1 µs a 0,5% ciclo de trabalho) mitigou efeitos de autoaquecimento.

Resultados e Discussão

A Figura 1a exibe os espectros de EL à temperatura ambiente dos LEDs A, B e C sob polarização direta de 100 mA. Normalizados à emissão banda-a-banda, os comprimentos de onda de pico deslocam-se de ~261 nm (A) para ~268 nm (C), indicando deslocamento para o vermelho com aumento da largura do PQ. Um pico parasita fraco próximo a 304 nm no LED A aponta para transbordamento de elétrons. A Figura 1b plota EQE relativa versus corrente de pulso, normalizada ao EQE de pico do LED B. O EQE máximo do LED B excede o do LED A em 6,8× e do LED C em 4,8× a TA. Simulações usando APSYS ilustram a física subjacente. Figuras 2a-c mostram diagramas de banda, energias de estado fundamental e funções de onda de portadores para injeção de 100 mA. O campo interno inclina o perfil de banda do PQ, e QCSE reduz sobreposição elétron-buraco conforme o PQ alarga. Energias de estado fundamental são 4,733, 4,669 e 4,637 eV para LEDs A, B e C, correspondendo aos comprimentos de onda observados. Alturas de barreira aumentam de 0,030 eV (A) a 0,069 eV (C), ainda assim o LED A ainda sofre de transbordamento de elétrons, enquanto a eficiência do LED C é limitada por QCSE. Assim, o poço de 3,5 nm equilibra confinamento e sobreposição, resultando no maior EQE. A baixa temperatura, as curvas de EQE relativa deslocam-se marcadamente. A Figura 3a mostra que a 5 K, o EQE máximo do LED B é 8,2× e 1,6× maior que LEDs A e C, respectivamente. A Figura 3b revela que a corrente necessária para EQE de pico diminui com a temperatura para todos os dispositivos. A queda na concentração de lacunas com resfriamento — devido à energia de ionização de Mg em p-AlGaN — reduz disponibilidade de portadores, enquanto a corrente de transbordamento de elétrons, expressa como J_transbordamento = D (ΔE/kT)³ q B l, cresce à medida que T diminui. Consequentemente, o ponto de injeção ótimo desloca-se para correntes menores. A 5 K, congelamento de centros não radiativos melhora eficiência interna, beneficiando particularmente o LED C com maior volume ativo. Isso explica a razão reduzida de EQE do LED B para LED C a 5 K comparado a TA, enquanto a razão para LED A aumenta. Em geral, os dados ressaltam o papel crítico da largura do PQ, campos de polarização e temperatura em ditar o desempenho de LEDs DUV.

Conclusões

Estudamos sistematicamente o impacto da largura do PQ na eletroluminescência de LEDs de profundo UV AlGaN de 5 K a TA. O PQ de 3,5 nm resultou no maior EQE máximo — 6,8× (TA) e 8,2× (5 K) maior que o dispositivo de 2 nm, e 4,8× (TA) e 1,6× (5 K) maior que o dispositivo de 5 nm. Estas variações surgem de um equilíbrio entre recombinação não radiativa reduzida, volume ativo aumentado e sobreposição elétron-buraco ótima. Medidas dependentes de temperatura revelam que a corrente necessária para EQE de pico diminui conforme T cai, impulsionada por transbordamento de elétrons aumentado e concentração de lacunas suprimida. Os achados fornecem uma estrutura clara para engenharia de dimensões de PQ e condições operacionais para maximizar eficiência em LEDs de profundo UV AlGaN.