Rendimiento mejorado de diodos emisores de luz ultravioleta profunda basados en AlGaN con capa de desaceleración de electrones de superrejilla con chirrido

Resumen

Los diodos emisores de luz (LED) ultravioleta profunda (DUV) basados en AlGaN sufren un desbordamiento de electrones y una inyección insuficiente del orificio. En este artículo, se proponen nuevas estructuras LED DUV con capa de desaceleración de electrones de superrejilla (SEDL) para desacelerar los electrones inyectados en la región activa y mejorar la recombinación radiativa. Los efectos de varios SEDL con chirridos sobre el rendimiento de los LED DUV se han estudiado de forma experimental y numérica. Los LED DUV se cultivaron mediante deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD) y se fabricaron en 762 × 762 μm ² chips, que presentan una emisión de pico único a 275 nm. La eficiencia cuántica externa del 3,43% y el voltaje de funcionamiento de 6,4 V se miden a una corriente directa de 40 mA, lo que indica que la eficiencia del enchufe de pared es del 2,41% de los LED DUV con SEDL con chirrido de contenido de Al ascendente. El mecanismo responsable de esta mejora se investiga mediante simulaciones teóricas. La vida útil del LED DUV con SEDL con chirrido de contenido de Al ascendente se mide en más de 10,000 ha L50, debido a la promoción de la inyección del portador.

Introducción

En los últimos años, los diodos emisores de luz (LED) ultravioleta profunda (DUV) basados en AlGaN, cuyos espectros atribuidos a UVB (320 nm – 280 nm) y UVC (280 nm – 100 nm), han atraído mucha atención debido a sus aplicaciones en iluminación de plantas, fototerapia, purificación de agua y esterilización de aire y superficies [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Sin embargo, la potencia de salida de luz (LOP) de los LED DUV basados en AlGaN de última generación disminuye significativamente a medida que la longitud de onda de emisión de luz se acorta [7, 8]. Esos LED DUV sufren de baja eficiencia cuántica interna (IQE), eficiencia de extracción de luz (LEE) y eficiencia de inyección de portador (CIE) [9,10,11,12,13]. Generalmente, el IQE deficiente es causado por una gran densidad de defectos y dislocaciones de rosca, mientras que el LEE insuficiente se debe a la polarización de los materiales de AlGaN y la absorción por la capa de contacto no transparente de p-GaN [14,15,16,17,18]. Además, el desbordamiento de electrones es la razón principal de la CIE deficiente, que se debe a la densidad de huecos inadecuada y la movilidad significativamente desequilibrada de los electrones y huecos en los materiales de AlGaN [19, 20].

Convencionalmente, la capa de bloqueo de electrones (EBL) de AlGaN de tipo p con alto contenido de Al se utiliza para suprimir el desbordamiento de electrones. Pero solo se pueden inyectar unos pocos agujeros en la región activa a través de la barrera en la banda de valencia introducida por la EBL, e incluso menos agujeros pueden cruzar las barreras de la región activa y transportarse a los pozos cuánticos cerca de las capas de tipo n debido a la baja eficacia de activación del dopante Mg y pequeña movilidad de los orificios [21]. Se han realizado varios intentos para mejorar la inyección de electrones y huecos, como la capa de barrera de huecos, la última barrera diseñada específicamente, EBL y múltiples estructuras de pozos cuánticos [22,23,24,25,26]. Sin embargo, el rendimiento de los LED DUV no mejora sustancialmente.

En este trabajo, hemos propuesto una estructura de LED DUV novedosa con capa de desaceleración de electrones de superrejilla (SEDL) para desacelerar la inyección de electrones y restringir el desbordamiento de electrones sin comprometer la inyección del agujero. Hemos estudiado los efectos de varios SEDL en el rendimiento de los LED DUV de forma experimental y numérica. Los LED DUV se cultivaron mediante deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD) y se fabricaron en 762 × 762 μm ² chips, que presentan una emisión de pico único a 275 nm. La eficiencia cuántica externa (EQE) del 3,43% y el voltaje de funcionamiento de 6,4 V se midieron a una corriente directa de 40 mA, lo que indica que la eficiencia del enchufe de pared es del 2,41% de los LED DUV con SEDL de contenido de Al ascendente. La vida útil del LED DUV con SEDL con chirrido de contenido de Al ascendente se mide en más de 10,000 ha L50. Además, el mecanismo de mejora del rendimiento se investiga mediante simulación teórica. Se verifica que los SEDL chirridos son capaces de equilibrar la inyección de electrones y huecos en la región activa, lo que promueve la recombinación radiativa en los primeros pozos cuánticos cerca de capas de tipo n.

Métodos y sección experimental

Epitaxia por MOCVD

Las heteroestructuras LED DUV basadas en AlGaN se cultivaron utilizando un sistema MOCVD de pared fría vertical. Para la epitaxia de toda la estructura, trimetilaluminio (TMA), trimetilgalio (TMG) y amoníaco (NH ₃ ) se utilizaron como fuentes de Al, Ga y N, respectivamente. H ₂ se utilizó como gas portador. La Figura 1a ilustra el esquema de la estructura de LED DUV con SEDL chirriante. El crecimiento se inició con un AlN de 2,7 μm de espesor, utilizando el método de crecimiento con una capa intermedia de gradiente de AlN inicial para la modificación del modo de crecimiento [27], luego un Al _0.6 dopado con Si de 3 μm de espesor Ga _0.4 N capa de contacto de tipo n, de la cual se mide la concentración de electrones y la movilidad de esta capa de tipo n en 4,5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ y 52 cm ² / V s, respectivamente, por sistema Hall. Le sigue el SEDL sin dopar de 40 nm de espesor. Figura 1b – e. muestra las estructuras de banda del LED DUV convencional y tres LED DUV propuestos con SEDL, denominados muestras A, B, C y D, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 1c, la muestra B tiene un SEDL uniforme de Al homogéneo de 20 periodos _0.65 Ga _0,35 N / Al _0.5 Ga _0.5 N superrejilla. Las SEDL chirriadas de las muestras C y D están compuestas por cuatro conjuntos de superredes de 5 períodos con diferentes capas de alto contenido de Al, a saber, 0,7, 0,65, 0,6 y 0,55, mientras que la composición de Al de las capas de bajo contenido de Al es se mantuvo constante en 0,5. Para la muestra C, las composiciones de Al de las capas con alto contenido de Al están aumentando gradualmente de abajo hacia arriba, lo que es contrario al de la muestra D, como se muestra en la Fig. 1 dye. Los espesores de cada capa para SEDL se establecen en 1 nm de manera constante. La región activa de los LED DUV consta de un Al _0.6 Ga _0.4 N:capa de revestimiento de Si para la propagación de la corriente, seguida de pozos cuánticos múltiples de 5 períodos, utilizando Al _0.57 de 14 nm de espesor Ga _0,43 Barreras N y Al _0.45 de 2 nm de espesor Ga _0,55 N pozos. Entonces, Al _0.7 Ga _0.3 N:Mg EBL y GaN:Mg capa de contacto de tipo p se cultivaron en secuencia. La concentración de agujeros y la movilidad de p-GaN se mide en 3.6 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ y 15 cm ² / V s, respectivamente, por el sistema Hall.

Simulación de las estructuras diseñadas de DUV LED con y sin SEDL. un Un esquema de la estructura de LED DUV con SEDL chirriante. La SEDL de 20 periodos con diferentes composiciones de Al se inserta entre la capa de AlGaN de tipo n y la capa de revestimiento de difusión de corriente de AlGaN. b Estructura de banda completa de muestra convencional ( a ) sin SEDL. El área resaltada se refiere a la región designada donde se insertará la SEDL. c Estructura de bandas de la SEDL de muestra ( b ), que es la superrejilla homogénea de 20 períodos Al0.5Ga0.5N / Al0.65Ga0.35N. Cada capa del SEDL es de 1 nm. d Estructura de bandas de la SEDL de muestra ( c ), que son cuatro conjuntos de superredes de SEDL con contenido de Al decreciente de 5 períodos con diferentes capas de alto contenido de Al, a saber, 0,7, 0,65, 0,6 y 0,55. e Estructura de bandas de la SEDL de muestra ( d ), que son cuatro conjuntos de superrejilla SEDL con contenido de Al ascendente de 5 períodos con diferentes capas de alto contenido de Al, a saber, 0,55, 0,6, 0,65 y 0,7

Fabricación de dispositivos

Tras el crecimiento de MOCVD, los LED DUV se fabricaron con técnicas de procesamiento estándar. Primero, las estructuras de mesa con geometrías cuadradas y de dedos se formaron mediante grabado en seco hasta 150 nm por debajo de la parte superior de Al _0.6 dopado con Si Ga _0.4 Capa de contacto tipo N n, seguida de un recocido a 900 ° C para reparar el daño por grabado. A continuación, se depositó la pila de metal en contacto Ti / Al / Ni / Au n y se recoció a 850 ° C en atmósfera de nitrógeno. Posteriormente, se evaporó una película de ITO y se recoció a 250 ° C para el uso de p-contact, seguido de la evaporación del electrodo espeso, la deposición de la capa de pasivación, la evaporación de la almohadilla y el corte en cubitos furtivos en 762 × 762 μm ² chips.

Simulación

Para iluminar el mecanismo de mejora del rendimiento de los LED DUV, se simularon el diagrama de bandas, las propiedades ópticas y las características de transporte de portadora de esta estructura resolviendo la ecuación de Schrödinger, la ecuación de Poisson, las ecuaciones de transporte de portadora y la ecuación de continuidad de corriente de forma autoconsistente mediante Programas Crosslight APSYS (modelo físico avanzado de dispositivos semiconductores) [28]. El tiempo de recombinación Shockley-Read-Hall (SRH) se establece en 1,5 ns para todas las capas excepto la capa insertada de tipo p como 1 ns porque la duración de la SRH depende del nivel de dopaje [29]. La pérdida interna es de 2000 m ⁻¹ [30]. El parámetro de inclinación b es 1 eV, y se supone que la relación de desplazamiento de banda es 0,7 / 0,3 para los materiales AlGaN [31]. El coeficiente de recombinación Auger se establece en 1 × 10 ⁻³⁰ cm ⁶ / s para ajustarse al experimento [32]. En esta simulación, las cargas de interfaz incorporadas debido a la polarización espontánea y piezoeléctrica se calculan con base en el método propuesto por Fiorentini et al. [33]. Además, teniendo en cuenta el apantallamiento por defectos, se supone que las densidades de carga superficial son el 40% de los valores calculados [34].

Resultados y discusión

Como cuatro muestras poseen las plantillas idénticas de AlN y AlGaN de tipo n, las cualidades cristalinas de las muestras A, B, C y D se midieron mediante difracción de rayos X de alta resolución (HR-XRD). Como se muestra en la Tabla 1, se realizaron curvas de oscilación de rayos X (XRC) a lo largo del plano simétrico (002) y el plano asimétrico (102) para ambas capas. Los resultados muestran que el ancho completo de XRC a la mitad del máximo (FWHM) y la densidad de dislocación de roscado (TDD) de cuatro muestras son casi iguales, lo que indica que la calidad cristalina no es la razón principal de la mejora del rendimiento del dispositivo. Además, se pudo encontrar que las densidades de dislocación de hilos (TDD) en la capa de AlGaN son más altas que las de la capa de AlN, lo que resultó de propiedades de cristales mixtos, defectos de interfase e impurezas de dopaje de Si [35]. Según la investigación de Ban et al. sobre la correlación entre IQE y TDD, el IQE para todas las muestras de este trabajo es aproximadamente del 30% al 40% [36].

Para confirmar el crecimiento exitoso de la estructura novedosa, realizamos mediciones de microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo brillante (BF-STEM) de sección transversal para la muestra B típica como representativa, como se muestra en la Fig. 2. Se puede ver que los TDD disminución durante todo el proceso de crecimiento de la AlN de 2,7 μm de espesor en la Fig. 2a. La Figura 2b indica una buena periodicidad y una capa de casi 1 nm de espesor en cada período de SEDL. Además, en la Fig. 2c se reconocen cinco períodos de múltiples pozos cuánticos con distintas interfaces, de los cuales las barreras son de 14 nm y los pozos de aproximadamente 2,1 nm.

Caracterización morfológica de la muestra típica B. a Imagen STEM de corte transversal de la plantilla de AlN. b Imagen STEM transversal en la región de 20 períodos de SEDL. c Imagen STEM transversal en la región activa

Para investigar el rendimiento del dispositivo, se unieron eutécticamente chips de LED DUV sobre un sustrato de cerámica de AlN para minimizar el efecto de calentamiento. Posteriormente, el sustrato se montó sobre una placa hexagonal de aluminio mediante soldadura en pasta. Luego, se realizaron mediciones eléctricas y ópticas, utilizando el Sistema de Análisis Fotoeléctrico ATA-1000 equipado con una esfera integradora de 30 cm de diámetro [37]. La figura 3a muestra las variaciones de la potencia de salida de luz (LOP) frente a la corriente de inyección. Los LOP de la muestra D con SEDL de contenido de Al ascendente son 6,17 mW a 40 mA, 14,99 mW a 100 mA y 44,975 mW a 360 mA, que es un factor tres veces mayor que el de la muestra A convencional sin SEDL. Esto indica que SEDL es beneficioso para la supresión del desbordamiento de electrones y la inyección de huecos. Mientras tanto, se puede observar una ligera saturación de LOP para cuatro muestras, cuando se opera con sesgos altos, lo que está relacionado con el efecto de calentamiento y la recombinación Auger [38]. El EQE contra la corriente de inyección se muestra en la Fig. 3b. El EQE máximo es 3.43% a 40 mA para la muestra D, mientras que el EQE alcanza un máximo de solo 1.17% para la muestra A. Mientras tanto, el LOP y EQE de la muestra D con SEDL de contenido de Al ascendente son más altos que los de la muestra B con uniforme y SEDL con contenido de Al decreciente, que demuestra una recombinación radiativa más eficiente en la muestra D. Las características de corriente-voltaje medidas para todas las muestras se muestran en la Fig. 3c. Se puede reconocer que la incorporación de SEDL aumenta el voltaje de operación de 5,13 V a 40 mA para la muestra A a 7,09 V a 40 mA para la muestra B, debido al aumento de resistividad de la alta composición de Al SEDL. Además, se puede ver que el voltaje de operación es menor para las muestras C y D que para la muestra B. De acuerdo con el diseño de la estructura y la medición de transmisión para las muestras de una sola capa, la composición promedio de Al de las barreras de la muestra C y D SEDL es 62,5% mientras que el de la muestra B es 65%. El mayor contenido de Al conduce a una menor eficiencia de dopaje y una mayor resistencia, lo que resulta en un aumento del voltaje de operación. Vale la pena mencionar que el voltaje de la muestra D es de 6.4 V a 40 mA, lo que da como resultado una eficiencia máxima del enchufe de pared (WPE) de 2.41%. Los espectros de electroluminiscencia a 10 mA se muestran en la Fig. 3d. Las emisiones máximas de cuatro muestras son todas alrededor de 275 nm, y la tendencia de la intensidad máxima es la misma que LOP. Esto también indica que el SEDL con chirrido de contenido de Al ascendente está disponible para mejorar el rendimiento del dispositivo LED DUV.

Características eléctricas y ópticas de muestras con diferentes SEDL a temperatura ambiente. un Dependencia de LOP de la corriente de inyección bajo los sesgos de CW. b Dependencia de EQE de la corriente de inyección bajo los sesgos de CW. c Dependencia de la corriente de inyección del voltaje de operación. d Espectros EL de todas las muestras a una corriente de inyección de 10 mA, cuyas emisiones máximas son de alrededor de 275 nm

Para arrojar luz sobre el mecanismo responsable de esta mejora, se realizaron simulaciones teóricas mediante el programa APSYS y los resultados se muestran en la Fig. 4. La densidad de corriente de electrones y las distribuciones de densidad de corriente de hueco cerca de la región activa a 200 mA se calculan en la Fig. 4 ay b. Se pudo encontrar que las densidades de corriente de inyección de electrones de las muestras con SEDL son ligeramente más bajas que las de la muestra A sin SEDL, mientras que la situación es inversa para la corriente de inyección del hueco, lo que ilustra que SEDL puede desacelerar el electrón del tipo n Capa de inyección de electrones AlGaN y promover la inyección del agujero en consecuencia. Las tasas de recombinación radiativa para todas las muestras se calcularon en la Fig. 4c. Con la incorporación de diferentes SEDL, obviamente aumenta la tasa de recombinación radiativa en los pozos cuánticos cerca de la capa de tipo n. Mientras tanto, de la muestra A a la muestra D, las tasas de recombinación radiativa en los cinco pozos cuánticos se están volviendo gradualmente uniformes, que es casi lo mismo para la muestra D con SEDL de contenido de Al ascendente. Esto indica además que SEDL puede equilibrar la inyección de portadores de electrones y huecos en la región activa y promover la recombinación radiativa en los primeros pozos cuánticos cerca de capas de tipo n mientras tanto. Como resultado, los IQEs para las cuatro muestras se simularon y se representaron en la Fig. 4d. El IQE de la muestra D es el más alto, lo que concuerda con el EQE de la figura 4b. Es más, aparentemente se mejora la caída de eficiencia en la muestra con SEDL. En todo el rango de corriente de inyección, la caída de eficiencia es 70,33%, 59,79%, 48,93% y 36,26% para las muestras A, B, C y D, respectivamente, que se define como la caída de eficiencia =(IQE _max - IQE _{250 mA} ) / IQE _máx . En general, se cree que la caída de la eficiencia se debe a la fuga de electrones y la inyección insuficiente del orificio [39]. La mejora de la caída de la eficiencia aclara que SEDL puede equilibrar el transporte del portador a la región activa y promover la recombinación radiativa en los pozos cuánticos, mejorando el rendimiento del dispositivo en última instancia.

Simulaciones y análisis teóricos. un Densidad de corriente de electrones en la región activa a la corriente de inyección de 200 mA. b Densidad de corriente del agujero en la región activa a la corriente de inyección de 200 mA. c Tasa de recombinación radiativa en los múltiples pozos cuánticos a la corriente de inyección de 200 mA. d Dependencia del IQE calculado de la corriente de inyección

La vida útil de los dispositivos se midió a 20 mA y temperatura ambiente. Para cada muestra, para asegurar la precisión de los resultados, se seleccionaron al azar 10 chips y el promedio del LOP relativo de ellos en diferentes tiempos de estrés se representó en la Fig. 5. Como se muestra, en comparación con la muestra A, la vida útil de las muestras con SEDL obviamente se amplía. La degradación de los dispositivos LED está relacionada en parte con la acumulación de defectos, los canales conductores óhmicos y la inyección deficiente de portadores [40]. La mejora de la vida útil verifica además que SEDL podría equilibrar el transporte de electrones y huecos y promover la inyección del portador en la región activa. Además, la vida útil media de la operación para la muestra D con SEDL con chirrido de contenido de Al ascendente es de más de 10.000 ha L50, lo que es adecuado para la aplicación práctica.

La LOP relativa en función del tiempo de envejecimiento para todas las muestras a 20 mA y temperatura ambiente. El envejecimiento se detiene cuando la LOP relativa es inferior al 50%. Las curvas negras, rojas, verdes y azules representan muestras a , b , c y d , respectivamente. La vida útil de la muestra D con SEDL con chirrido de contenido de Al ascendente es de más de 10,000 ha L50

Conclusión

Los efectos de la capa de desaceleración de electrones de superrejilla con chirridos en los LED DUV se investigan de forma experimental y numérica. Los resultados indican que los SEDL con chirridos son capaces de equilibrar la inyección de electrones y huecos en la región activa, lo que promueve la recombinación radiativa en los primeros pozos cuánticos cerca de capas de tipo n. El aumento de la recombinación radiativa conduce aún más a la mejora del rendimiento del dispositivo LED DUV. Los LED DUV basados en AlGaN se han fabricado en 762 × 762 μm ² chips, que presentan una emisión de pico único a 275 nm. La eficiencia cuántica externa del 3,43% y el voltaje de funcionamiento de 6,4 V se miden a una corriente directa de 40 mA, lo que demuestra que la eficiencia del enchufe de pared es del 2,41% de los LED DUV con SEDL con chirrido de contenido de Al ascendente. La vida útil del LED DUV con SEDL con chirrido de contenido de Al ascendente se mide en más de 10,000 ha L50, debido a la promoción de inyección de portador. Se puede esperar una mejora adicional al introducir el despegue láser, la rugosidad de la superficie, el electrodo reflectante y la encapsulación. En general, el LED DUV diseñado con SEDL chirrido muestra propiedades eléctricas satisfactorias, rendimiento óptico favorable y confiabilidad deseable, lo cual es prometedor para la purificación de agua de alta eficiencia y esterilización de superficies.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos y materiales del manuscrito están disponibles.

Abreviaturas

APSYS:: Modelo físico avanzado de dispositivos semiconductores
BF-STEM:: Microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo brillante
CIE:: Eficiencia de inyección de portador
DUV:: Ultravioleta profundo
EBL:: Capa de bloqueo de electrones
EQE:: Eficiencia cuántica externa
FWHM:: Ancho completo a la mitad del máximo
HR-XRD:: Difracción de rayos X de alta resolución
IQE:: Eficiencia cuántica interna
LED:: Diodo emisor de luz
LEE:: Eficiencia de extracción de luz
LOP:: Potencia de salida de luz
MOCVD:: Deposición de vapor químico metalorgánico
SEDL:: Capa de desaceleración de electrones de superrejilla
SRH:: Shockley-Read-Hall
TDD:: Densidad de dislocación de subprocesos
TMA:: Trimetilaluminio
TMG:: Trimetilgalio
WPE:: Eficiencia del enchufe de pared
XRC:: Curva de balanceo de rayos X