Mejora del Rendimiento de LED Ultravioleta Profundo mediante Capas de Extensión de Corriente NPN-AlGaN Moduladas Localmente

Resumen

Presentamos una estrategia novedosa para mejorar la extensión de corriente en LEDs de ultravioleta profundo (DUV) basados en AlGaN insertando una estructura n-AlGaN/p-AlGaN/n-AlGaN (NPN-AlGaN) dopada localmente en la capa suministradora de electrones. La delgada inserción de p-AlGaN crea una barrera de banda de conducción que redistribuye la corriente lateral en la capa suministradora de huecos tipo p, mitigando el amontonamiento de corriente. Parámetros clave —nivel dopaje Mg, espesor capa p, composición AlN, y número de uniones NPN— influyen críticamente en el efecto de extensión. Capas NPN-AlGaN optimizadas mejoran potencia óptica, eficiencia cuántica externa (EQE) y eficiencia de enchufe (WPE) en LEDs DUV.

Introducción

Los LEDs DUV basados en AlGaN son esenciales para desinfección, purificación agua, aplicaciones médicas y grabación óptica alta densidad [1–8]. Avances recientes en calidad cristalina —como epitaxia quasi-Van der Waals de AlN asistida por grafeno en zafiro nanoestructurado— han reducido densidades dislocación y elevado eficiencias cuánticas internas (IQE) a 80 % [9–10]. Sin embargo, LEDs DUV se operan eléctricamente, donde inyección y transporte portadores gobiernan rendimiento [11–13]. Un reto prominente es amontonamiento corriente, especialmente bajo alto sesgo, debido a baja eficiencia dopaje Mg en capas p-AlGaN alto contenido Al [15–16] y geometría inyección lateral estructuras flip-chip [17–18]. Esquemas extensión corriente basados en contactos p estrechos [19] o capas ITO/ZGO [20] han mostrado éxito limitado, a menudo obstaculizados por resistividad interfase o conductividad lateral insuficiente.

En este trabajo, desplazamos foco del lado p a capa suministradora electrones tipo n. Al ingeniar perfil dopaje en n-AlGaN para formar uniones NPN-AlGaN, generamos barreras energéticas controladas que redistribuyen corriente lateral, mejorando inyección huecos y eficiencia general dispositivo. Este enfoque ofrece mayor flexibilidad para optimización epitaxial mientras aborda directamente amontonamiento corriente.

Métodos de Investigación y Modelos Físicos

La estructura LED DUV base comprende capa n-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N 4-µm dopada Si 5×10¹⁸ cm⁻³, seguida por cinco MQWs Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N/Al₀.₅₆Ga₀.₄₄N (3 nm/12 nm). Una capa bloqueo electrones (EBL) p-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N 18-nm dopada Mg corona MQWs, sucedida por capas p-Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N y p-GaN 50-nm dopadas Mg, cada una con concentración huecos 3×10¹⁷ cm⁻³. Dispositivos tienen mesa 350 × 350 µm².

La Figura 1b ilustra perfil banda conducción para estructura con dos uniones NPN-AlGaN (NPNPN-AlGaN). El agotamiento de inserciones p-AlGaN crea barreras verticales (φ₁, φ₂) que ajustan distribución corriente lateral. La unión debe estar totalmente agotada para operar en modo ruptura reach-through [21]. Todos dispositivos comparados a LED referencia sin uniones NPN.

Modelamos flujo corriente con circuito equivalente (Fig. 2a), separando componentes vertical (I₁) y horizontal (I₂). La presencia uniones NPN introduce resistencia interfacial R_npn por unión, reduciendo razón I₁/I₂ (Ec. 3). Aumentar número uniones (N) o elevar R_npn —ajustando contenido AlN, espesor, o dopaje Mg— promueve further extensión lateral.

Física dispositivo simulada con Crosslight APSYS, modelos validados recombinación Auger (1×10⁻³⁰ cm⁶s⁻¹), vida SRH (10 ns), extracción luz (≈8 %), y compensación banda 50:50 para heterouniones AlGaN [25]. Cargas polarización fijadas 40 % desajuste red [29].

Resultados y Discusiones

Impacto NPN-AlGaN en Extensión Corriente

Comparando LED referencia A (sin NPN) con LED B (una unión NPN, 20 nm p-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N, Mg = 1×10¹⁸ cm⁻³) muestra dos barreras conducción en LED B (Fig. 3a). Estas barreras aumentan R_npn, reduciendo I₁/I₂ y permitiendo distribución lateral huecos más uniforme en último pozo cuántico (LQW) (Fig. 3b). Consecuentemente, concentraciones huecos y tasas recombinación radiante en MQWs aumentan (Fig. 4a-b), traduciéndose a mayor EQE y densidad potencia óptica (Fig. 5a). Aunque voltaje directo aumenta ligeramente (Fig. 5b), la eficiencia enchufe (WPE) supera referencia above ~56 A cm⁻² (Fig. 5c), confirmando beneficio ingeniería NPN-AlGaN.

Efecto Composición AlN en Capa p-AlGaN

Cinco dispositivos (Cᵢ, i = 1–5) fabricados con fracciones AlN 0,60, 0,63, 0,66, 0,69, 0,72 en capa p 20-nm (Mg = 1,8×10¹⁸ cm⁻³). Mayor AlN aumenta barrera banda conducción (Tabla 1), elevando R_npn y reduciendo I₁/I₂ (Ec. 3). Perfiles huecos laterales (Fig. 6a) y concentraciones MQW (Fig. 6b-c) muestran uniformidad progresivamente mejorada y mayores densidades portadores con mayor contenido AlN. EQE y densidad potencia óptica siguen misma tendencia (Fig. 7a), mientras voltaje directo exhibe aumento moderado (Fig. 7b). Beneficios WPE maximizados en fracción AlN intermedia (C₂), equilibrando altura barrera contra caída voltaje añadida (Fig. 8).

Influencia Dopaje Mg

Dispositivos Dᵢ (i = 1–5) varían dopaje Mg en capa p 20-nm (3×10¹⁷ – 3×10¹⁸ cm⁻³) con AlN = 0,61. Aumentar Mg ensancha región agotamiento, elevando barrera y R_npn (Tabla 2). Distribuciones huecos laterales se vuelven cada vez más uniformes (Fig. 9a), mejorando concentraciones huecos MQW y recombinación radiante (Fig. 9b-c). EQE y densidad potencia óptica suben con dopaje (Fig. 10a), aunque voltaje directo también aumenta, particularmente para mayor nivel Mg (Fig. 10b). WPE mejora hasta Mg = 2×10¹⁸ cm⁻³ pero declina en mayor dopaje por caída voltaje excesiva (Fig. 11).

Espesor Capa Inserción p-AlGaN

Serie Tᵢ (i = 1–5) emplean capas p 18-, 20-, 24-, 28-, 32-nm (AlN = 0,61, Mg = 1,5×10¹⁸ cm⁻³). Alturas barrera aumentan con espesor (Tabla 3), reduciendo further I₁/I₂ y mejorando extensión lateral (Fig. 12a). Concentraciones huecos MQW y tasas recombinación suben correspondientemente (Fig. 12b-c). Potencia óptica y EQE mejoran (Fig. 13a), y voltaje directo disminuye significativamente para dispositivos 20-, 24-, 28-nm (Fig. 13b). Sin embargo, capa más gruesa (32 nm) muestra mayor voltaje encendido debido diodo parasitario N-AlGaN/P-AlGaN. WPE pico en espesor óptimo, demostrando necesidad ajuste cuidadoso (Fig. 14).

Número Uniones NPN-AlGaN

LEDs Nᵢ (i = 1–5) contienen 1 a 5 uniones NPN, cada una con capas p 20-nm (AlN = 0,61, Mg = 1,5×10¹⁸ cm⁻³). Mientras alturas barrera individuales son similares (Tabla 4), barrera acumulativa aumenta con cuenta uniones, amplificando extensión lateral (Fig. 15a). Concentraciones huecos MQW y tasas recombinación mejoran progresivamente (Fig. 15b-c). EQE y densidad potencia óptica suben con número uniones, pero ganancias disminuyen tras tres uniones (Fig. 16a). Voltaje directo disminuye respecto a referencia (Fig. 16b), y beneficios WPE evidentes hasta cinco uniones, aunque ventaja incremental se atenúa (Fig. 17).

Conclusiones

Incrustar uniones NPN-AlGaN dentro de capa suministradora electrones tipo n mitiga efectivamente amontonamiento corriente en región suministradora huecos tipo p de LEDs DUV basados AlGaN. Ajustando composición AlN, dopaje Mg, espesor capa inserción, y cuenta uniones, podemos homogeneizar corriente lateral, mejorar inyección huecos, y mejorar EQE y WPE. Mientras EQE consistentemente beneficia, ganancias WPE se estancan cuando caídas voltaje adicionales de barreras superan ventaja extensión, subrayando importancia diseño equilibrado. Este estudio introduce estrategia versátil, amigable con crecimiento, para extensión corriente que avanza rendimiento LEDs DUV alta potencia.