Aumento da Eficiência de LED UV Profundo AlGaN com Camadas de Desaceleração de Elétrons Superrede Chirped

Resumo

LEDs de ultravioleta profundo (DUV) baseados em AlGaN sofrem com transbordamento de elétrons e injeção insuficiente de lacunas. Neste artigo, novas estruturas de LED DUV com camada de desaceleração de elétrons superrede (SEDL) são propostas para desacelerar elétrons injetados na região ativa e melhorar recombinação radiativa. Os efeitos de vários SEDLs chirped no desempenho de LEDs DUV foram estudados experimental e numericamente. Os LEDs DUV foram crescidos por deposição química de vapor organometálica (MOCVD) e fabricados em chips de 762 × 762 µm², exibindo emissão de pico único a 275 nm. Eficiência quântica externa de 3,43% e tensão de operação de 6,4 V são medidas a corrente direta de 40 mA, indicando que a eficiência wall-plug é 2,41% dos LEDs DUV com SEDL chirped de teor de Al ascendente. A vida útil do LED DUV com SEDL chirped de teor de Al ascendente é medida em mais de 10.000 h em L50, devido à promoção de injeção de portadores.

Introdução

Nos últimos anos, LEDs de ultravioleta profundo (DUV) baseados em AlGaN, cujos espectros são atribuídos a UVB (320–280 nm) e UVC (280–100 nm), atraíram muita atenção devido às suas aplicações em iluminação de plantas, fototerapia, purificação de água e esterilização de ar e superfícies. No entanto, a potência de saída de luz (LOP) dos LEDs DUV AlGaN de ponta cai significativamente à medida que o comprimento de onda de emissão fica mais curto. Esses LEDs DUV sofrem de baixa eficiência quântica interna (IQE), eficiência de extração de luz (LEE) e eficiência de injeção de portadores (CIE). Geralmente, IQE deficiente é causada por grande densidade de defeitos e discordâncias de threading, enquanto LEE insuficiente é devida à polarização de materiais AlGaN e absorção pela camada de contato p-GaN não transparente. Além disso, transbordamento de elétrons é a principal razão para a pobre CIE, devido à densidade inadequada de lacunas e mobilidade significativamente desequilibrada de elétrons e lacunas em materiais AlGaN.

Convencionalmente, camada de bloqueio de elétrons (EBL) de AlGaN tipo p com alto teor de Al é usada para suprimir transbordamento de elétrons. Mas apenas algumas lacunas podem ser injetadas na região ativa através da barreira na banda de valência introduzida pela EBL, e ainda menos lacunas podem cruzar as barreiras da região ativa e transportar para poços quânticos próximos a camadas tipo n devido à baixa eficiência de ativação do dopante Mg e pequena mobilidade de lacunas. Várias tentativas foram feitas para melhorar injeção de elétrons e lacunas, como camada de barreira de lacunas, última barreira especificamente projetada, EBL e estruturas de poços quânticos múltiplos. No entanto, o desempenho de LEDs DUV não é substancialmente melhorado.

Neste trabalho, propusemos nova estrutura de LED DUV com camada de desaceleração de elétrons superrede (SEDL) para desacelerar injeção de elétrons e conter transbordamento de elétrons sem comprometer injeção de lacunas. Estudamos os efeitos de vários SEDLs no desempenho de LEDs DUV experimental e numericamente. Os LEDs DUV foram crescidos por MOCVD e fabricados em chips de 762 × 762 µm², exibindo emissão de pico único a 275 nm. A eficiência quântica externa (EQE) de 3,43% e tensão de operação de 6,4 V foram medidas a corrente direta de 40 mA, indicando que a eficiência wall-plug é 2,41% dos LEDs DUV com SEDL chirped de teor de Al ascendente. A vida útil do LED DUV com SEDL chirped de teor 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 SEDLs chirped são capazes de equilibrar injeção de elétrons e lacunas na região ativa, o que promove recombinação radiativa nos primeiros poços quânticos próximos a camadas tipo n.

Métodos e Seção Experimental

Epitaxia por MOCVD

Heteroestruturas de LED DUV baseadas em AlGaN foram crescidas usando sistema MOCVD de parede fria vertical. Para epitaxia de toda a estrutura, trimetilalumínio (TMA), trimetilgálio (TMG) e amônia (NH₃) foram usados como fontes de Al, Ga e N, respectivamente. H₂ foi usado como gás transportador. A Figura 1a ilustra o esquemático para estrutura de LED DUV com SEDL chirped. O crescimento foi iniciado com AlN de 2,7 µm de espessura, usando método de crescimento com intercalação de gradiente inicial de AlN para modificação do modo de crescimento, então camada de contato tipo n Al_0,6Ga_0,4N dopada com Si de 3 µm de espessura, da qual a concentração de elétrons e mobilidade desta camada tipo n são medidas como 4,5 × 10¹⁸ cm⁻³ e 52 cm²/V·s, respectivamente, por sistema Hall. É seguido por SEDL não dopado de 40 nm de espessura. A Figura 1b–e mostra as estruturas de banda do LED DUV convencional e três LEDs DUV propostos com SEDL, nomeados amostras A, B, C e D, respectivamente. Como exibido na Fig. 1c, amostra B tem SEDL uniforme de superrede homogênea Al_0,65Ga_0,35N/Al_0,5Ga_0,5N de 20 períodos. 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 mantida constante em 0,5. Para amostra C, as composições de Al das camadas de alto teor de Al aumentam gradualmente de baixo para cima, o que é contrário ao da amostra D, como mostrado nas Fig. 1d 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 uma camada de revestimento Al_0,6Ga_0,4N:Si para espalhamento de corrente, seguida por poços quânticos múltiplos de 5 períodos, usando barreiras de 14 nm de espessura Al_0,57Ga_0,43N e poços de 2 nm de espessura Al_0,45Ga_0,55N. Então, EBL Al_0,7Ga_0,3N:Mg e camada de contato tipo p GaN:Mg foram crescidos em sequência. A concentração de lacunas e mobilidade de p-GaN é medida como 3,6 × 10¹⁷ cm⁻³ e 15 cm²/V·s, respectivamente, por sistema Hall.

Fabricação do Dispositivo

Após crescimento MOCVD, LEDs DUV foram fabricados com técnicas de processamento padrão. Primeiro, estruturas de mesa com geometrias quadrada e dedo foram formadas por gravação a seco até 150 nm abaixo do topo da camada de contato tipo n Si-doped Al_0,6Ga_0,4N, seguido por recozimento a 900 °C para reparar danos de gravação. Então, pilha de metal de contato n Ti/Al/Ni/Au foi depositada e recozida a 850 °C em atmosfera de nitrogênio. Subsequentemente, filme ITO foi evaporado e recozido a 250 °C para uso como contato p, seguido por evaporação de eletrodo espesso, deposição de camada de passivação, evaporação de pad e dicing stealth em chips de 762 × 762 µm².

Simulação

Para iluminar o mecanismo de melhoria de desempenho de LEDs DUV, diagrama de banda, propriedades ópticas e características de transporte de portadores desta estrutura foram simulados resolvendo a equação de Schrödinger, equação de Poisson, equações de transporte de portadores e equação de continuidade de corrente autoconsistentemente por programas Crosslight APSYS (Modelo Físico Avançado de Dispositivos Semicondutores). O tempo de recombinação Shockley-Read-Hall (SRH) é definido como 1,5 ns para todas as camadas exceto camada inserida tipo p como 1 ns porque tempo de vida SRH depende do nível de dopagem. A perda interna é 2000 m⁻¹. 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. O coeficiente de recombinação Auger é definido como 1 × 10⁻³⁰ cm⁶/s para ajustar o experimento. Nesta simulação, cargas de interface embutidas devido à polarização espontânea e piezoelétrica são calculadas baseadas no método proposto por Fiorentini et al. Além disso, considerando blindagem por defeitos, densidades de carga de superfície são assumidas como 40% dos valores calculados.

Resultados e Discussão

Como as quatro amostras possuem templates 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 rocking de raios X (XRC) ao longo do plano simétrico (002) e assimétrico (102) para ambas as camadas foram realizadas. Os resultados mostram que a largura na meia altura (FWHM) da XRC e densidade de discordância de threading (TDD) das quatro amostras são quase as mesmas, indicando que a qualidade cristalina não é a principal razão para a melhoria do desempenho do dispositivo. Além disso, pode-se encontrar que densidades de discordância de threading (TDDs) na camada AlGaN são maiores que as na camada AlN, o que resultou de propriedades de cristal misto, defeitos de interface e impurezas de dopagem Si. De acordo com a pesquisa de Ban et al. sobre correlação entre IQE e TDD, a IQE para todas as amostras neste trabalho é aproximadamente 30–40%.

Para confirmar o crescimento bem-sucedido da nova estrutura, realizamos medidas de microscopia eletrônica de transmissão de varredura de campo claro transversal (BF-STEM) para amostra B típica como representativa, como mostrado na Fig. 2. Pode-se ver que as TDDs diminuem 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 poços quânticos múltiplos com interfaces distintas são reconhecidos na Fig. 2c, dos quais barreiras são 14 nm e poços são cerca de 2,1 nm.

Para investigar o desempenho do dispositivo, chips de LED DUV foram unidos euteticamente em substrato cerâmico AlN para minimizar efeito de aquecimento. Depois, o substrato foi montado em placa de alumínio hexagonal por pasta de solda. Então, medidas elétricas e ópticas foram realizadas, usando Sistema de Análise Fotoelétrica ATA-1000 equipado com esfera integradora de 30 cm de diâmetro. A Figura 3a mostra as variações da potência de saída de luz (LOP) versus corrente de injeção. Os LOPs da amostra D com SEDL de teor 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 que o da amostra convencional A sem SEDL. Isto indica que SEDL é benéfico para supressão de transbordamento de elétrons e injeção de lacunas. Enquanto isso, leve saturação de LOP para quatro amostras pode ser observada, quando operando em biases altos, o que está relacionado a efeito de aquecimento e recombinação Auger. A EQE contra corrente de injeção é representada na Fig. 3b. A EQE máxima é 3,43% a 40 mA para amostra D, enquanto a EQE atinge pico de apenas 1,17% para amostra A. Enquanto isso, LOP e EQE da amostra D com SEDL chirped de teor de Al ascendente são maiores que os das amostras B com SEDLs uniforme e de teor de Al decrescente, o que demonstra recombinação radiativa mais eficiente na amostra D. As características corrente-tensão medidas para todas as amostras são mostradas na Fig. 3c. Pode-se reconhecer que a incorporação de SEDLs aumenta a tensão de operação de 5,13 V a 40 mA para amostra A para 7,09 V a 40 mA para amostra B, devido ao aumento de resistividade da SEDL de alta composição de Al. Além disso, pode-se ver que a tensão de operação é menor para amostras C e D que para amostra B. De acordo com o design da estrutura e medição de transmissão para amostras de camada única, a composição média de Al das barreiras das amostras C e D SEDL é 62,5% enquanto a da amostra B é 65%. O maior teor de Al leva a menor eficiência de dopagem e maior resistência, resultando no aumento da tensão de operação. Vale mencionar que a tensão da amostra D é 6,4 V a 40 mA, resultando na eficiência wall-plug (WPE) máxima de 2,41%. Os espectros de eletroluminescência a 10 mA são mostrados na Fig. 3d. As emissões de pico das quatro amostras estão todas em torno de 275 nm, e a tendência de intensidade de pico é a mesma que LOP. Isto também indica que o SEDL chirped de teor de Al ascendente está disponível para melhoria do desempenho do dispositivo LED DUV.

Para lançar luz sobre o mecanismo responsável por esta melhoria, simulações teóricas foram realizadas por programa APSYS e os resultados são exibidos na Fig. 4. A densidade de corrente de elétrons e a densidade de corrente de lacunas próximas à região ativa a 200 mA são calculadas na Fig. 4a e b. Pode-se encontrar que as densidades de corrente de injeção de elétrons das amostras com SEDL são ligeiramente menores que as da amostra A sem SEDL, enquanto a situação é inversa para a injeção de corrente de lacunas, ilustrando que SEDL é capaz de desacelerar o elétron da camada de injeção de elétrons AlGaN tipo n e promover a injeção de lacunas correspondentemente. 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 amostra D, as taxas de recombinação radiativa nos cinco poços quânticos estão gradualmente se tornando uniformes, que é quase a mesma para a amostra D com SEDL chirped de teor de Al ascendente. Isto indica ainda que SEDL pode equilibrar a injeção de portadores elétrons e lacunas na região ativa e promover a recombinação radiativa nos primeiros poços quânticos próximos a camadas tipo n ao mesmo tempo. Como resultado, as IQEs para as quatro amostras foram simuladas e plotadas na Fig. 4d. A IQE da amostra D é a mais alta, que é consistente com a EQE na Fig. 4b. Além disso, o droop de eficiência na amostra com SEDL é melhorado aparentemente. Em todo o intervalo de corrente de injeção, o droop de eficiência é 70,33%, 59,79%, 48,93% e 36,26% para amostras A, B, C e D, respectivamente, que é definido como droop de eficiência = (IQE_máx − IQE_{250 mA})/IQE_máx. O droop de eficiência é geralmente pensado como causado por vazamento de elétrons e injeção insuficiente de lacunas. A melhoria do droop de eficiência esclarece que SEDL pode equilibrar o transporte de portadores para a região ativa e promover a recombinação radiativa nos poços quânticos, melhorando o desempenho do dispositivo finalmente.

A vida útil dos dispositivos foi medida a 20 mA e temperatura ambiente. Para cada amostra, para garantir a precisão dos resultados, 10 chips foram selecionados aleatoriamente e a média da LOP relativa deles em diferentes tempos de estresse foi representada na Fig. 5. Como mostrado, comparado à amostra A, a vida útil das amostras com SEDL é obviamente estendida. A degradação de dispositivos LED é parcialmente relacionada a acúmulo de defeitos, canais condutores ôhmicos e injeção deficiente de portadores. A melhoria da vida útil verifica ainda que SEDL poderia equilibrar transporte de elétrons e lacunas e promover injeção de portadores na região ativa. Além disso, a vida útil média de operação para amostra D com SEDL chirped de teor de Al ascendente é mais de 10.000 h em L50, que é adequada para aplicação prática.

Conclusão

Os efeitos da camada de desaceleração de elétrons superrede chirped nos LEDs DUV são investigados experimental e numericamente. Os resultados indicam que SEDLs chirped são capazes de equilibrar injeção de elétrons e lacunas na região ativa, o que promove a recombinação radiativa nos primeiros poços quânticos próximos a camadas tipo n. O aumento da recombinação radiativa leva ainda ao aumento do desempenho do dispositivo LED DUV. Os LEDs DUV baseados em AlGaN foram fabricados em chips de 762 × 762 µm², exibindo emissão de pico único a 275 nm. Eficiência quântica externa de 3,43% e tensão de operação de 6,4 V são medidas a corrente direta de 40 mA, demonstrando que a eficiência wall-plug é 2,41% dos LEDs DUV com SEDL chirped de teor de Al ascendente. A vida útil do LED DUV com SEDL chirped de teor de Al ascendente é medida em mais de 10.000 h em L50, devido à promoção de injeção de portadores. Melhorias adicionais podem ser esperadas introduzindo lift-off a laser, rugosidade de superfície, eletrodo refletor e encapsulamento. Em geral, o LED DUV projetado com SEDL chirped mostra propriedade elétrica satisfatória, desempenho óptico favorável e confiabilidade desejável, o que é promissor para purificação de água de alta eficiência e esterilização de superfícies.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados e materiais no 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 portadores

DUV:

Ultravioleta profundo

EBL:

Camada de bloqueio de elétrons

EQE:

Eficiência quântica externa

FWHM:

Largura na meia altura

HR-XRD:

Difração de raios X de alta resolução

IQE:

Eficiência quântica interna

LED:

Diodo emissor de luz

LEE:

Eficiência de extração de luz

LOP:

Potência de saída de luz

MOCVD:

Deposição química de vapor organometálica

SEDL:

Camada de desaceleração de elétrons superrede

SRH:

Shockley-Read-Hall

TDD:

Densidade de discordância de threading

TMA:

Trimetilalumínio

TMG:

Trimetilgálio

WPE:

Eficiência wall-plug

XRC:

Curva de rocking de raios X