Mejora de la eficiencia de LED UV profundo AlGaN con capas de desaceleración de electrones de superred chirpeada

Resumen

Los LED de ultravioleta profundo (DUV) basados en AlGaN sufren de desbordamiento de electrones e inyección insuficiente de huecos. En este artículo, se proponen nuevas estructuras de LED DUV con capa de desaceleración de electrones de superred (SEDL) para desacelerar los electrones inyectados a la región activa y mejorar la recombinación radiante. Se han estudiado experimental y numéricamente los efectos de varias SEDL chirpeadas en el rendimiento de LED DUV. Los LED DUV se han cultivado por deposición química de vapor orgánico-metálico (MOCVD) y fabricado en chips de 762 × 762 μm², exhibiendo emisión de pico único a 275 nm. La eficiencia cuántica externa de 3.43 % y voltaje de operación de 6.4 V se midieron a una corriente directa de 40 mA, indicando que la eficiencia de pared es 2.41 % de los LED DUV con SEDL chirpeada de contenido Al ascendente. La vida útil del LED DUV con SEDL chirpeada de contenido Al ascendente se midió en más de 10,000 h a L50, debido a la promoción de inyección de portadores.

Introducción

En años recientes, los LED de ultravioleta profundo (DUV) basados en AlGaN, cuyos espectros se atribuyen 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 AlGaN de vanguardia disminuye significativamente a medida que la longitud de onda de emisión 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 portadores (CIE) [9,10,11,12,13]. Generalmente, la IQE deficiente es causada por gran densidad de defectos y dislocaciones de hilo, mientras que la LEE insuficiente se debe a la polarización de materiales AlGaN y absorción por la capa de contacto p-GaN no transparente [14,15,16,17,18]. Además, el desbordamiento de electrones es la principal razón de la pobre CIE, debido a la densidad de huecos inadecuada y la movilidad significativamente desequilibrada de electrones y huecos en materiales AlGaN [19, 20].

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

En este trabajo, hemos propuesto una nueva estructura de LED DUV con capa de desaceleración de electrones de superred (SEDL) para desacelerar la inyección de electrones y contener el desbordamiento de electrones sin comprometer la inyección de huecos. Hemos estudiado los efectos de varias SEDL en el rendimiento de LED DUV experimental y numéricamente. Los LED DUV se han cultivado por MOCVD y fabricado en chips de 762 × 762 μm², exhibiendo emisión de pico único a 275 nm. La eficiencia cuántica externa (EQE) de 3.43 % y voltaje de operación de 6.4 V se midieron a una corriente directa de 40 mA, indicando que la eficiencia de pared (WPE) es 2.41 % de los LED DUV con SEDL chirpeada de contenido Al ascendente. La vida útil del LED DUV con SEDL chirpeada de contenido Al ascendente se midió en más de 10,000 h a L50. Además, el mecanismo de mejora de rendimiento se investiga por simulación teórica. Se verifica que las SEDL chirpeadas pueden equilibrar la inyección de electrones y huecos en la región activa, lo que promueve la recombinación radiante en los primeros pozos cuánticos cerca de capas tipo n.

Métodos y Sección Experimental

Epitaxia por MOCVD

Las heterostructuras de LED DUV basadas en AlGaN se cultivaron usando un sistema MOCVD de pared fría vertical. Para la epitaxia de toda la estructura, trimetilaluminio (TMA), trimetilgalio (TMG) y amoníaco (NH₃) se usaron como fuentes de Al, Ga y N, respectivamente. H₂ se usó como gas portador. La Figura 1a ilustra el esquema para la estructura de LED DUV con SEDL chirpeada. El crecimiento se inició con una capa de AlN de 2.7-µm de espesor, usando el método de crecimiento con intercapa de gradiente AlN inicial para modificación del modo de crecimiento [27], luego una capa de contacto n-tipo Al₀.₆Ga₀.₄N dopada con Si de 3-µm de espesor, de la cual la concentración de electrones y movilidad de esta capa n-tipo se midieron en 4.5 × 10¹⁸ cm⁻³ y 52 cm²/V·s, respectivamente, por sistema Hall. Le sigue la SEDL no dopada de 40 nm de espesor. La Figura 1b–e muestra las estructuras de bandas del LED DUV convencional y tres LED DUV propuestos con SEDL, denominados muestras A, B, C y D, respectivamente. Como se exhibe en Fig. 1c, la muestra B tiene una SEDL uniforme de superred homogénea Al₀.₆₅Ga₀.₃₅N/Al₀.₅Ga₀.₅N de 20 periodos. Las SEDL chirpeadas de las muestras C y D están compuestas por cuatro conjuntos de superred de 5 periodos con diferentes capas de alto contenido Al, a saber, 0.7, 0.65, 0.6 y 0.55, mientras que la composición Al de las capas de bajo contenido Al se mantiene constante en 0.5. Para la muestra C, las composiciones Al de las capas de alto contenido Al aumentan gradualmente de abajo hacia arriba, lo cual es contrario al de la muestra D, como se muestra en Fig. 1d y e. Los espesores de cada capa para SEDL se establecen en 1 nm de manera constante. La región activa de los LED DUV consiste en una capa de revestimiento Al₀.₆Ga₀.₄N:Si para dispersión de corriente, seguida por pozos cuánticos múltiples de 5 periodos, usando barreras de 14 nm de espesor Al₀.₅₇Ga₀.₄₃N y pozos de 2 nm de espesor Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N. Luego, se cultivaron en secuencia EBL Al₀.₇Ga₀.₃N:Mg y capa de contacto tipo p GaN:Mg. La concentración de huecos y movilidad de p-GaN se midieron en 3.6 × 10¹⁷ cm⁻³ y 15 cm²/V·s, respectivamente, por sistema Hall.

Simulación de las estructuras diseñadas de LED DUV con y sin SEDL. a Esquema de estructura de LED DUV con SEDL chirpeada. La SEDL de 20 periodos con diferentes composiciones Al se inserta entre la capa AlGaN tipo n y la capa de revestimiento AlGaN de dispersión de corriente. b Estructura de banda completa de muestra convencional (a) sin SEDL. El área resaltada se refiere a la región designada donde se inserta la SEDL. c Estructura de banda de la SEDL de muestra (b), que es la superred homogénea Al₀.₅Ga₀.₅N/Al₀.₆₅Ga₀.₃₅N de 20 periodos. Cada capa de la SEDL es 1 nm. d Estructura de banda de la SEDL de muestra (c), que es cuatro conjuntos de superred SEDL de 5 periodos de contenido Al decreciente con diferentes capas de alto contenido Al, a saber 0.7, 0.65, 0.6 y 0.55. e Estructura de banda de la SEDL de muestra (d), que es cuatro conjuntos de superred SEDL de 5 periodos de contenido Al ascendente con diferentes capas de alto contenido Al, a saber 0.55, 0.6, 0.65 y 0.7

Fabricación de Dispositivos

Tras el crecimiento MOCVD, los LED DUV se fabricaron con técnicas de procesamiento estándar. Primero, estructuras de mesa con geometrías cuadrada y de dedo se formaron por grabado en seco hasta 150 nm por debajo de la parte superior de la capa de contacto n-tipo Si-doped Al₀.₆Ga₀.₄N, seguido de un recocido a 900 °C para reparar daño de grabado. Luego, se depositó pila de metal de contacto n Ti/Al/Ni/Au y se recoció a 850 °C en atmósfera de nitrógeno. Posteriormente, se evaporó una película ITO y se recoció a 250 °C para uso de contacto p, seguido de evaporación de electrodo grueso, deposición de capa de pasivación, evaporación de pad y corte sigiloso en chips de 762 × 762 μm².

Simulación

Para iluminar el mecanismo de mejora de rendimiento de LED DUV, el diagrama de bandas, propiedades ópticas y características de transporte de portadores de esta estructura se simularon resolviendo la ecuación de Schrödinger, la ecuación de Poisson, las ecuaciones de transporte de portadores y la ecuación de continuidad de corriente autoconsistentemente por programas Crosslight APSYS (Advance Physical Model of Semiconductor Devices) [28]. El tiempo de recombinación Shockley-Read-Hall (SRH) se estableció en 1.5 ns para todas las capas excepto la capa insertada tipo p como 1 ns porque la vida SRH depende del nivel de dopaje [29]. La pérdida interna es 2000 m⁻¹ [30]. El parámetro de arqueo b es 1 eV, y la relación de desplazamiento de banda se asume 0.7/0.3 para materiales AlGaN [31]. El coeficiente de recombinación Auger se establece en 1 × 10⁻³⁰ cm⁶/s para ajustar el experimento [32]. En esta simulación, las cargas de interfaz incorporadas debido a polarización espontánea y piezoeléctrica se calculan basadas en el método propuesto por Fiorentini et al. [33]. Además, considerando el apantallamiento por defectos, las densidades de carga superficial se asumen al 40 % de los valores calculados [34].

Resultados y Discusión

Como las cuatro muestras poseen plantillas idénticas de AlN y AlGaN tipo n, las calidades cristalinas de las muestras A, B, C y D se midieron por difracción de rayos X de alta resolución (HR-XRD). Como se muestra en Tabla 1, se realizaron curvas de balanceo de rayos X (XRC) a lo largo de planos simétricos (002) y asimétricos (102) para ambas capas. Los resultados muestran que el ancho a media altura (FWHM) de XRC y la densidad de dislocaciones de hilo (TDD) de las cuatro muestras son casi las mismas, indicando que la calidad cristalina no es la razón principal para la mejora del rendimiento del dispositivo. Además, se pudo encontrar que las densidades de dislocaciones de hilo (TDD) en la capa AlGaN son mayores que en la capa AlN, lo que resultó de propiedades de cristal mixto, defectos de interfaz e impurezas de dopaje Si [35]. Según la investigación de Ban et al. sobre la correlación entre IQE y TDD, la IQE para todas las muestras en este trabajo es aproximadamente 30–40 % [36].

Para confirmar el crecimiento exitoso de la nueva estructura, realizamos mediciones de microscopía electrónica de transmisión de campo brillante de sección transversal (BF-STEM) para la muestra B típica como representativa, como se muestra en Fig. 2. Se puede ver que las TDD disminuyen durante todo el proceso de crecimiento del AlN de 2.7-µm de espesor en Fig. 2a. La Figura 2b indica buena periodicidad y capa de casi 1 nm de espesor en cada periodo de SEDL. Además, cinco periodos de pozos cuánticos múltiples con interfaces distintas se reconocen en Fig. 2c, de los cuales las barreras son 14 nm y los pozos son ~2.1 nm.

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

Para investigar el rendimiento del dispositivo, los chips de LED DUV se unieron eutécticamente en sustrato cerámico AlN para minimizar el efecto de calentamiento. Después, el sustrato se montó en una placa de aluminio hexagonal por pasta de soldadura. Luego, se realizaron mediciones eléctricas y ópticas, usando 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) versus corriente de inyección. Las LOPs de la muestra D con SEDL de contenido Al ascendente son 6.17 mW a 40 mA, 14.99 mW a 100 mA y 44.975 mW a 360 mA, lo que es un factor de tres veces mayor que el de la muestra convencional A sin SEDL. Esto indica que SEDL es beneficioso para la supresión de desbordamiento de electrones e inyección de huecos. Mientras tanto, se puede observar una ligera saturación de LOP para las cuatro muestras cuando operan a altos sesgos, lo que está relacionado con el efecto de calentamiento y recombinación Auger [38]. La EQE contra corriente de inyección se representa en Fig. 3b. La EQE máxima es 3.43 % a 40 mA para la muestra D, mientras que la EQE pica solo en 1.17 % para la muestra A. Mientras tanto, la LOP y EQE de la muestra D con SEDL de contenido Al ascendente son mayores que las de la muestra B con SEDL uniforme y de contenido Al decreciente, lo que demuestra recombinación radiante más eficiente en la muestra D. Las características corriente-voltaje medidas para todas las muestras se muestran en 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 SEDL de alta composición Al. Además, se puede ver que el voltaje de operación es menor para las muestras C y D que para la muestra B. Según el diseño de estructura y la medición de transmisión para muestras de capa única, la composición Al promedio de las barreras de la muestra C y D SEDL es 62.5 % mientras que la de la muestra B es 65 %. El mayor contenido Al conduce a menor eficiencia de dopaje y mayor resistencia, resultando en aumento del voltaje de operación. Vale la pena mencionar que el voltaje de la muestra D es 6.4 V a 40 mA, resultando en la máxima eficiencia de pared (WPE) de 2.41 %. Los espectros de electroluminiscencia a 10 mA se muestran en Fig. 3d. Las emisiones de pico de las cuatro muestras están todas alrededor de 275 nm, y la tendencia de intensidad de pico es la misma que LOP. Esto también indica que la SEDL chirpeada de contenido Al ascendente está disponible para la mejora del rendimiento del dispositivo LED DUV.

Características eléctricas y ópticas de muestras con diferentes SEDL a temperatura ambiente. a Dependencia de LOP en corriente de inyección bajo sesgos CW. b Dependencia de EQE en corriente de inyección bajo sesgos CW. c Dependencia de corriente de inyección en voltaje de operación. d Espectros EL de todas las muestras a corriente de inyección 10 mA, las emisiones de pico de las cuales están alrededor de 275 nm

Para arrojar luz sobre el mecanismo responsable de esta mejora, se realizaron simulaciones teóricas por programa APSYS y los resultados se muestran en Fig. 4. La distribución de densidad de corriente de electrón y hueco cerca de la región activa a 200 mA se calculan en Fig. 4a y b. Se pudo encontrar que las densidades de corriente de inyección de electrón de muestras con SEDL son ligeramente menores que las de la muestra A sin SEDL, mientras que la situación es inversa para la corriente de inyección de hueco, ilustrando que SEDL es capaz de desacelerar el electrón de la capa de inyección de electrón AlGaN tipo n y promover la inyección de hueco en consecuencia. Las tasas de recombinación radiante para todas las muestras se calcularon en Fig. 4c. Con la incorporación de diferentes SEDL, la tasa de recombinación radiante en los pozos cuánticos cerca de la capa tipo n aumenta obviamente. Mientras tanto, de la muestra A a la muestra D, las tasas de recombinación radiante en los cinco pozos cuánticos se vuelven gradualmente uniformes, lo que es casi lo mismo para la muestra D con SEDL chirpeada de contenido Al ascendente. Esto indica además que SEDL puede equilibrar la inyección de portadores electrón y hueco en la región activa y promover la recombinación radiante en los primeros pozos cuánticos cerca de capas tipo n al mismo tiempo. Como resultado, las IQE para las cuatro muestras se simularon y trazaron en Fig. 4d. La IQE de la muestra D es la más alta, lo que es consistente con la EQE en Fig. 4b. Además, el droop de eficiencia en la muestra con SEDL mejora aparente. En todo el rango de corriente de inyección, el droop de eficiencia es 70.33 %, 59.79 %, 48.93 % y 36.26 % para muestras A, B, C y D, respectivamente, definido como droop de eficiencia = (IQE_max − IQE_250 mA)/IQE_max. El droop de eficiencia se piensa generalmente causado por fuga de electrones e inyección insuficiente de huecos [39]. La mejora del droop de eficiencia aclara que SEDL puede equilibrar el transporte de portadores a la región activa y promover la recombinación radiante en los pozos cuánticos, mejorando el rendimiento del dispositivo finalmente.

Simulaciones teóricas y análisis. a Densidad de corriente de electrón en la región activa a corriente de inyección de 200 mA. b Densidad de corriente de hueco en la región activa a corriente de inyección de 200 mA. c Tasa de recombinación radiante en los pozos cuánticos múltiples a corriente de inyección de 200 mA. d Dependencia de IQE calculada en 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 se representó el promedio de la LOP relativa de ellos a diferentes tiempos de estrés en Fig. 5. Como se muestra, comparado con la muestra A, la vida útil de las muestras con SEDL se extiende obviamente. La degradación de dispositivos LED está partly relacionada con acumulación de defectos, canales conductivos óhmicos e inyección deficiente de portadores [40]. La mejora de la vida útil verifica además que SEDL podría equilibrar el transporte de electrón y hueco y promover la inyección de portadores en la región activa. Además, la vida útil promedio de operación para la muestra D con SEDL chirpeada de contenido Al ascendente es más de 10,000 h a L50, lo que es adecuado para la aplicación práctica.

La LOP relativa como 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 %. Curvas negra, roja, verde y azul representan muestras a, b, c y d, respectivamente. La vida útil para la muestra D con SEDL chirpeada de contenido Al ascendente es más de 10,000 h a L50

Conclusión

Los efectos de la capa de desaceleración de electrones de superred chirpeada en los LED DUV se investigan experimental y numéricamente. Los resultados indican que las SEDL chirpeadas pueden equilibrar la inyección de electrones y huecos en la región activa, lo que promueve la recombinación radiante en los primeros pozos cuánticos cerca de capas tipo n. El aumento de la recombinación radiante conduce a la mejora del rendimiento del dispositivo LED DUV. Los LED DUV basados en AlGaN se han fabricado en chips de 762 × 762 μm², exhibiendo emisión de pico único a 275 nm. Eficiencia cuántica externa de 3.43 % y voltaje de operación de 6.4 V se miden a una corriente directa de 40 mA, demostrando que la eficiencia de pared es 2.41 % de los LED DUV con SEDL chirpeada de contenido Al ascendente. La vida útil del LED DUV con SEDL chirpeada de contenido Al ascendente se midió en más de 10,000 h a L50, debido a la promoción de inyección de portadores. Se puede esperar mayor mejora introduciendo lift-off láser, rugosidad de superficie, electrodo reflectante y encapsulación. En general, el LED DUV diseñado con SEDL chirpeada muestra propiedad eléctrica satisfactoria, rendimiento óptico favorable y confiabilidad deseable, lo que es prometedor para purificación de agua de alta eficiencia y esterilización de superficies.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos y materiales en el manuscrito están disponibles.

Abreviaturas

APSYS:

Advance Physical Model of Semiconductor Devices

BF-STEM:

Microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo brillante

CIE:

Eficiencia de inyección de portadores

DUV:

Ultravioleta profundo

EBL:

Capa de bloqueo de electrones

EQE:

Eficiencia cuántica externa

FWHM:

Ancho a media altura

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 química de vapor orgánico-metálico

SEDL:

Capa de desaceleración de electrones de superred

SRH:

Shockley-Read-Hall

TDD:

Densidad de dislocaciones de hilo

TMA:

Trimetilaluminio

TMG:

Trimetilgalio

WPE:

Eficiencia de pared

XRC:

Curva de balanceo de rayos X