Influencia del ancho del pozo cuántico en las propiedades de electroluminiscencia de los diodos emisores de luz ultravioleta profunda AlGaN a diferentes temperaturas

Resultados y discusión

La Figura 1a muestra los espectros EL medidos a temperatura ambiente (RT) para los LED A, B y C bajo corriente continua de 100 mA, en los que todos los espectros se normalizaron a la emisión de banda a banda. Los picos EL para los LED A, B y C fueron de alrededor de 261, 265 y 268 nm, respectivamente. Obviamente, el pico EL mostró un corrimiento al rojo a medida que aumentaba el ancho de QW. Además, debe notarse que existía un pico parásito débil alrededor de 304 nm en el espectro EL en el LED A, que se aclaró que está relacionado con el desbordamiento de electrones [20]. La Figura 1b muestra el EQE relativo en función de la corriente de pulso para todos los LED. Todos los valores se normalizaron al máximo EQE del LED B. El máximo EQE del LED B fue aproximadamente 6,8 y 4,8 veces mayor que los de los LED A y C, respectivamente.

un Los espectros RT EL para LED A, B y C bajo corriente continua de 100 mA. Todos los espectros se normalizaron a la emisión de banda a banda. b El EQE relativo en función de la corriente de pulso

Para comprender la razón, se utilizó APSYS para simular los niveles de energía y las funciones de onda de los portadores. La Figura 2a-c muestra las estructuras de banda, el nivel del estado fundamental y las funciones de onda portadora en un QW con una corriente de 100 mA para los LED A, B y C, respectivamente. Debido al gran campo interno inducido por el efecto de polarización y la polarización directa aplicada, la estructura de banda de QW mostró una forma inclinada y la superposición espacial de las funciones de onda de los electrones y los huecos se hizo menor a medida que aumentaba el ancho de QW debido a los límites cuánticos. Efecto Stark (QCSE). La brecha de energía de los estados básicos para los LED A, B y C fueron 4.733, 4.669 y 4.637 eV, respectivamente, que coincidieron bien con la longitud de onda de emisión como se muestra en la Fig. 1a. Además, debe notarse que la capacidad limitada de los portadores por los QW disminuyó a medida que disminuyó el ancho de QW. El efecto de confinamiento cuántico resultó en el aumento del nivel del estado fundamental a medida que disminuía el ancho de QW. Los valores de la altura de la barrera fueron 0.030, 0.057 y 0.069 eV para los LED A, B y C, respectivamente. Por lo tanto, el EQE del LED A fue menor que el del LED B debido al desbordamiento de la corriente de electrones, lo que podría ser confirmado por el pico parásito obvio que se muestra en la Fig. 1a. Aunque el LED C tenía la barrera más alta para el desbordamiento de electrones en todos los dispositivos, su EQE era aún menor que el del LED B debido al QCSE.

La estructura de la banda, el nivel del estado fundamental y la onda portadora funcionan en un QW con una corriente de 100 mA para ( a ) LED A, ( b ) LED B y ( c ) LED C

Se midió el EQE a baja temperatura para evaluar el rendimiento del dispositivo. La Figura 3a muestra el EQE relativo medido a 5 K. Todos los valores se normalizaron al EQE máximo del LED B. Obviamente, la corriente de inyección para el EQE máximo disminuyó significativamente en comparación con los de RT para todos los dispositivos. El EQE máximo del LED B fue aproximadamente 8,2 y 1,6 veces mayor que el de los LED A y C, respectivamente. Los EQE dependientes de la corriente se midieron a diferentes temperaturas. La Figura 3b muestra el EQE relativo dependiente de la corriente a diferentes temperaturas para el LED B. Todos los valores se normalizaron al EQE máximo a 10 K. Se puede ver que la corriente para el EQE máximo disminuyó a medida que disminuyó la temperatura. Se encontró el mismo fenómeno para los tres LED. Era bien sabido que en los materiales a granel la concentración de huecos disminuiría rápidamente al disminuir la temperatura debido a la alta energía de ionización del Mg en p-AlGaN. En nuestra estructura, se demostró que la concentración del agujero también disminuyó a medida que disminuyó la temperatura [21]. También simulamos la distribución de los agujeros a diferentes temperaturas. La Figura 4 muestra las concentraciones de huecos en la región activa a 100 y 300 K para el LED B bajo la inyección de 100 mA. Obviamente, la concentración de agujeros disminuyó a medida que disminuyó la temperatura. Además, la corriente de electrones desbordada de QW se puede expresar como [22].

un El EQE relativo a 5 K y ( b ) el EQE relativo dependiente de la corriente a diferentes temperaturas para el LED B

Las concentraciones de agujeros en la región activa a 100 y 300 K para LED B bajo la inyección de 100 mA

\ ({J} _ {\ mathrm {overflow}} =D {\ left (\ frac {\ Delta E} {kT} \ right)} ^ 3 qBl \)

donde D es una constante, Δ E es la diferencia entre el nivel de Fermi y el borde de la banda de los pozos cuánticos, K es la constante de Boltzmann, T es la temperatura, q es la carga del electrón, B es el coeficiente de recombinación radiativa bimolecular, y l es el espesor de MQW. Para un determinado LED, la contribución de la variación de Δ E a J _{desbordamiento} podría descuidarse en comparación con el de T a medida que bajaba la temperatura. Por lo tanto, el J _{desbordamiento} aumentó significativamente a 5 K en comparación con el de RT, que se creía que era la razón principal de la disminución de la corriente de inyección a la que alcanzó el máximo EQE. El J _{desbordamiento} disminuyó a medida que aumentaba la temperatura, dando como resultado el aumento de la corriente de inyección para el máximo EQE, como se muestra en la Fig. 3b. A baja temperatura, la eficiencia interna aumentaría debido a la congelación de los centros no radiativos, como las dislocaciones, lo que fue beneficioso para el LED C con el mayor volumen de región activa. Esta fue la razón más posible por la que la relación EQE del LED B al LED C disminuyó a 5 K en comparación con la de RT. De manera similar, la relación EQE de LED B a LED A aumentó a 5 K en comparación con la de RT.