home Teknologi Manufaktur Peralatan Manufaktur
Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Meningkatkan Penyebaran Arus dengan Memodulasi Jenis Doping Secara Lokal di Lapisan n-AlGaN untuk Dioda Pemancar Cahaya Ultraviolet Dalam Berbasis AlGaN

Abstrak

Dalam laporan ini, kami memodulasi jenis doping secara lokal di n -Lapisan AlGaN dengan mengusulkan lapisan penyebaran arus terstruktur n-AlGaN/p-AlGaN/n-AlGaN (NPN-AlGaN) untuk dioda pemancar cahaya ultraviolet dalam (LED DUV) berbasis AlGaN. Setelah memasukkan lapisan tipis p-AlGaN ke dalam lapisan pemasok elektron n-AlGaN, penghalang pita konduksi dapat dibuat di n -lapisan pemasok elektron tipe, yang memungkinkan modulasi distribusi arus lateral di lapisan pemasok lubang tipe-p untuk LED DUV. Selain itu, menurut penelitian kami, konsentrasi doping Mg, ketebalan, komposisi AlN untuk lapisan penyisipan p-AlGaN dan nomor sambungan NPN-AlGaN ditemukan memiliki pengaruh besar pada efek penyebaran saat ini. Lapisan penyebaran arus NPN-AlGaN yang dirancang dengan benar dapat meningkatkan daya keluaran optik, efisiensi kuantum eksternal (EQE), dan efisiensi colokan dinding (WPE) untuk LED DUV.

Pengantar

Karena berbagai aplikasi seperti desinfeksi, pemurnian air, perawatan medis, dan perekaman optik densitas tinggi [1,2,3,4,5,6,7,8], upaya intensif telah diinvestasikan untuk mengembangkan AlGaN- berefisiensi tinggi. berbasis dioda pemancar cahaya ultraviolet (DUV LEDs). Pada tahap saat ini, kemajuan luar biasa telah dicapai untuk meningkatkan kualitas kristal untuk film AlGaN yang kaya Al, misalnya, menumbuhkan film AlN pada substrat safir berpola nano oleh epitaksi kuasi-Van der Waals yang dibantu graphene dapat sangat melepaskan ketegangan dan mengurangi kerapatan dislokasi [9], yang menunjukkan efisiensi kuantum internal (IQE) sebesar 80% [10]. Perlu dicatat bahwa IQE tersebut diukur dengan menggunakan metode fotoluminesensi suhu rendah, yang tidak melibatkan injeksi pembawa. Namun, LED DUV dioperasikan oleh bias listrik, yang terkait dengan aliran arus dan transportasi pembawa [11,12,13]. Aspek lain yang sangat penting mengenai aliran arus adalah efek crowding arus, yang mudah terjadi ketika perangkat dibias pada tingkat arus yang sangat tinggi [14]. LED DUV memiliki efisiensi doping Mg yang sangat rendah pada lapisan p-AlGaN dengan komponen AlN yang tinggi [15, 16], yang menyebabkan konduktivitas listrik yang rendah. Selain itu, LED DUV mengadopsi struktur flip-chip yang menampilkan skema injeksi lateral untuk arus. Oleh karena itu, dibandingkan dengan LED UV, biru dan hijau berbasis InGaN/GaN, LED DUV berbasis AlGaN lebih ditantang oleh efek crowding saat ini [17]. Terjadinya efek crowding saat ini baik pada elektroda p-kontak atau di tepi mesa menyebabkan intensitas electroluminescence tidak merata di beberapa sumur kuantum (MQWs) dan suhu persimpangan meningkat [18]. Akibatnya, sangat penting untuk mempromosikan penyebaran arus lateral untuk LED DUV. Untuk tujuan itu, elektroda tipe-p multi-strip sempit yang diusulkan memungkinkan penyebaran arus yang merata, sehingga meningkatkan efisiensi sumbat dinding (WPE) sebesar 60% [19]. Selain itu, lapisan penyebaran arus ITO/ZGO (ZnGaO) dapat menyebarkan arus dengan lebih baik dan meningkatkan efisiensi kuantum eksternal (EQE), tetapi peningkatan resistivitas antarmuka pada antarmuka ZGO/p-GaN membuat WPE kurang ditingkatkan untuk LED DUV [20] .

Oleh karena itu, pada tahap saat ini, perhatian penelitian diletakkan pada sisi-p untuk memfasilitasi penyebaran arus untuk LED DUV. Dalam pekerjaan ini, berbeda dari pendekatan lain, kami mengusulkan dan membuktikan bahwa peningkatan distribusi arus di lapisan pemasok lubang tipe-p untuk LED DUV dapat dicapai dengan merekayasa lapisan pemasok elektron n-AlGaN. Penghalang energi dihasilkan di pita konduksi dengan memodulasi jenis doping di lapisan pemasok elektron, yaitu struktur n-AlGaN/p-AlGaN/n-AlGaN (NPN-AlGaN) diusulkan dan dipelajari secara parametrik. Hasil kami menunjukkan bahwa distribusi lateral untuk lubang dapat dihomogenisasi dengan menggunakan sambungan NPN-AlGaN, yang oleh karena itu meningkatkan daya keluaran optik, efisiensi kuantum eksternal, dan efisiensi colokan dinding untuk LED DUV. Keuntungan lain dari desain kami adalah, dari sudut pandang pertumbuhan epitaksi, memiliki lapisan penyebaran arus di lapisan pemasok elektron tipe-n memungkinkan epi-grower lebih bebas dalam mengoptimalkan kondisi pertumbuhan.

Metode Penelitian dan Model Fisika

Struktur LED NPN-AlGaN DUV digambarkan secara skematis pada Gambar 1a. Di setiap LED DUV yang dipelajari, kami memiliki n-Al setebal 4 m0,60 Ga0,40 T/p-Alx Ga1−x T/n-Al0,60 Ga0,40 lapisan N, dan konsentrasi doping Si dari n-Al0,60 Ga0,40 Wilayah N adalah 5 × 10 18 cm −3 . Kemudian, lima pasang Al0,45 Ga0,55 T/Al0,56 Ga0,44 N beberapa lapisan aktif sumur kuantum (MQW) dirancang, dengan ketebalan sumur kuantum dan penghalang kuantum masing-masing adalah 3 nm dan 12 nm. MQW dibatasi oleh p-Al yang didoping-Mg setebal 18 nm0,60 Ga0,40 Lapisan N berfungsi sebagai p-EBL, setelah itu p-Al yang didoping Mg setebal 50 nm0,40 Ga0,60 Lapisan N dan lapisan p-GaN yang didoping Mg setebal 50 nm mengikuti. Konsentrasi lubang untuk p-EBL dan lapisan pemasok lubang diatur menjadi 3 × 10 17 cm −3 . Kami mendesain geometri perangkat dengan mesa persegi panjang 350 × 350 μm 2 . Gambar 1b menunjukkan profil pita konduksi skematik ketika dua sambungan NPN-AlGaN (yaitu, struktur NPNPN-AlGaN) digunakan dalam struktur LED DUV, dan kita dapat melihat hambatan energi yang ada di p-Al yang habis. x Ga1−x N wilayah. Penghalang energi dapat menyesuaikan distribusi arus horizontal di lapisan pemasok lubang tipe-p. Catatan, untuk menjamin aliran arus melalui sambungan n-AlGaN/p-AlGaN dengan bias terbalik, sangat penting untuk membuat lapisan penyisipan p-AGaN benar-benar habis sehingga sambungan NPN-AlGaN akan berada dalam mode breakdown reach-through [21]. Analisis rinci dan diskusi akan disajikan kemudian. LED DUV referensi kami identik dengan LED DUV NPN-AlGaN kecuali bahwa n-Al yang didoping Si setebal 4 m0,60 Ga0,40 Lapisan N digunakan sebagai lapisan pemasok elektron.

a Struktur skema untuk LED NPN-AlGaN. b Profil pita konduksi skematik untuk struktur NPNPN-AlGaN yang memiliki dua sambungan NPN-AlGaN; kami mendefinisikan ketinggian penghalang untuk setiap persimpangan NPN-AlGaN sebagai φ 1 , φ 2 , dan φ n , dan n adalah jumlah persimpangan NPN-AlGaN

Untuk lebih memahami mekanisme fisik untuk efek penyebaran arus yang ditingkatkan yang diaktifkan oleh sambungan NPN-AlGaN, rangkaian ekivalen untuk LED DUV dengan skema injeksi arus lateral ditunjukkan pada Gambar 2a. Kita dapat melihat bahwa arus mengalir dari lapisan pemasok lubang tipe-p ke daerah n-AlGaN sepanjang arah vertikal dan lateral. Jika hambatan listrik untuk lapisan pemasok elektron n-AlGaN lebih kecil dari pada lapisan penyebar arus (CL), arus cenderung berkerumun di daerah di bawah kontak ohmik tipe-p, yaitu I 1> Aku 2> Aku 3> …> Aku n [14]. Penggabungan sambungan NPN-AlGaN dalam struktur LED DUV dapat menekan efek crowding arus yang merusak. Kemudian, kami menyederhanakan lebih lanjut jalur aliran arus untuk LED NPN-AlGaN DUV pada Gambar. 2b, sehingga total arus dapat dibagi menjadi bagian vertikal (I 1 ) dan bagian horizontal (I 2 ) dari titik A untuk menunjuk B . Oleh karena itu, tegangan total antara dua titik dibagi oleh lapisan penyebaran arus, lapisan p-GaN, lapisan p-AlGaN, MQWs, persimpangan NPN-AlGaN, dan lapisan n-AlGaN. Berdasarkan jalur I . saat ini 1 dan Aku 2 , Persamaan. 1 dan 2 diperoleh, masing-masing, dan dengan memecahkan dua rumus sebelumnya, Persamaan. 3 kemudian diturunkan:

$$ {I}_1{R}_{\mathrm{CL}-\mathrm{V}}+{I}_1{R}_X+{I}_1\bullet N\bullet {R}_{npn}+{ I}_1\left({R}_{n-\mathrm{V}}+{R}_{nL}\right)={U}_{\mathrm{AB}}, $$ (1) $$ {I}_2\left({R}_{\mathrm{CL}-\mathrm{L}}+{R}_{\mathrm{CL}-\mathrm{V}}\right)+{I}_2 {R}_X+{I}_2\bullet N\bullet {R}_{npn}+{I}_2{R}_{n-\mathrm{V}}={U}_{\mathrm{AB}} , $$ (2) $$ \frac{I_1}{I_2}=1+\frac{R_{\mathrm{CL}-\mathrm{L}}-{R}_{n-\mathrm{L}} }{R_{\mathrm{CL}-\mathrm{V}}+{R}_X+{R}_n+N\bullet {R}_{npn}} $$ (3)

a LED DUV dengan sirkuit ekivalen skema injeksi arus lateral (I 1> Aku 2> Aku 3> ……> Aku n ). b LED DUV terstruktur NPN-AlGaN sirkuit ekuivalen yang disederhanakan dan jalur arus I 1 dan Aku 2 dipamerkan

dimana R CL−V dan R CL−L adalah resistensi vertikal dan horizontal untuk lapisan penyebaran saat ini, masing-masing; R n V dan R n L menunjukkan resistensi vertikal dan horizontal untuk lapisan n-AlGaN, masing-masing; R n adalah penjumlahan dari R n V dan R n L (yaitu, R n =R n V + R n L ) untuk jalur saat ini I 1; penjumlahan resistansi untuk daerah injeksi lubang tipe-p dan daerah MQW diwakili oleh R x ; R npn adalah resistansi antarmuka yang diinduksi oleh ketinggian penghalang di setiap persimpangan NPN-AlGaN; T berarti jumlah total sambungan NPN-AlGaN, dan penurunan tegangan total antar titik A dan B dijelaskan oleh U AB . Perlu disebutkan bahwa lapisan penyebaran arus setebal 200 nm jauh lebih tipis daripada lapisan pemasok elektron n-AlGaN setebal 4 m untuk semua perangkat yang dipelajari. Oleh karena itu, diperoleh CL yang hambatan listriknya jauh lebih besar daripada untuk lapisan n-AlGaN, yaitu R CL−L R n L 0. Jelas bahwa rasio I 1 /Aku 2 dapat dikurangi dengan membuat N × R npn peningkatan nilai. Oleh karena itu, efek penyebaran arus pada lapisan pemasok lubang tipe-p dapat ditingkatkan dengan menggunakan sambungan NPN-AlGaN pada lapisan pemasok elektron tipe-n untuk struktur LED DUV. Di satu sisi, N × R npn nilai dapat ditingkatkan melalui peningkatan N . Di sisi lain, nilai R npn dipengaruhi oleh komponen AlN, ketebalan, dan konsentrasi doping Mg untuk lapisan penyisipan p-AlGaN. Oleh karena itu, analisis rinci akan dilakukan pada diskusi selanjutnya.

Simulator Crosslight APSYS digunakan untuk menyelidiki fisika perangkat, dan model yang kami gunakan dapat diandalkan menurut publikasi kami sebelumnya tentang LED berbasis nitrida biru, UVA, dan DUV [22,23,24]. Dalam model fisik kami, rasio offset pita energi untuk heterojungsi AlGaN/AlGaN diatur menjadi 50:50 [25]. Koefisien rekombinasi Auger, masa pakai rekombinasi Shockley-Read-Hall (SRH), dan efisiensi ekstraksi cahaya ditetapkan menjadi 1,0 × 10 −30 cm 6 /s [26], 10 ns [27], dan ~ 8% [28] untuk LED DUV, masing-masing. Muatan antarmuka yang diinduksi polarisasi pada antarmuka yang tidak cocok dengan kisi dianggap dengan mengasumsikan tingkat polarisasi 40% [29].

Hasil dan Diskusi

Pengaruh Struktur NPN-AlGaN pada Efek Penyebaran Arus untuk LED DUV

LED A (yaitu, LED DUV referensi tanpa sambungan NPN-AlGaN) dan LED B (yaitu, LED DUV dengan sambungan NPN-AlGaN) telah diselidiki terlebih dahulu untuk menyelidiki pengaruh struktur NPN-AlGaN dalam menyeragamkan arus untuk lapisan pemasok lubang tipe-p. Setiap persimpangan NPN-AlGaN memiliki p-Al setebal 20 nm0,60 Ga0,40 Lapisan penyisipan N, di mana konsentrasi doping Mg adalah 1 × 10 18 cm −3 . Gambar 3a menunjukkan profil pita energi ketika rapat arus 170 A/cm 2 untuk LED B. Dua penghalang energi di pita konduksi terbentuk di persimpangan NPN-AlGaN, dan pembentukan penghalang energi dianggap berasal dari efek penipisan p-Al0,60 yang dimasukkan. Ga0,40 lapisan N Hambatan yang dihasilkan di LED B menginduksi resistansi antarmuka R npn di wilayah persimpangan NPN-AlGaN, yang membantu mengurangi I 1 /Aku 2 seperti yang disebutkan dalam Persamaan. 3, sehingga lebih banyak lubang akan mengalir di sepanjang jalur saat ini I 2 . Kami kemudian menghitung dan menunjukkan konsentrasi lubang horizontal di sumur kuantum terakhir (LQW) untuk LED A dan B saat rapat arus 170 A/cm 2 , seperti yang disajikan pada Gambar. 3b. Kita dapat melihat dengan jelas bahwa LED B memperoleh penyebaran arus lateral yang lebih baik jika dibandingkan dengan LED A. Oleh karena itu, kami membuktikan bahwa NPN-AlGaN pada lapisan pemasok elektron tipe-n memfasilitasi efek penyebaran arus pada lapisan pemasok lubang tipe-p untuk LED DUV.

a Profil pita energi untuk LED B, di mana kita mendefinisikan pita konduksi, tingkat quasi-Fermi untuk elektron dan hole, dan pita valensi sebagai E c , E fe , E fh , dan E v , masing-masing. b Konsentrasi lubang horizontal di LQW untuk LED A dan B saat rapat arus 170 A/cm 2

Selain menunjukkan konsentrasi lubang lateral, kami juga mendemonstrasikan tingkat konsentrasi lubang di MQW untuk LED A dan B pada Gambar 4a. Kita dapat melihat bahwa, karena efek penyebaran arus yang ditingkatkan, konsentrasi lubang di MQW ditingkatkan untuk LED B jika dibandingkan dengan LED A. Tingkat konsentrasi lubang yang ditingkatkan di MQW lebih mendukung rekombinasi radiasi untuk LED B (lihat Gambar 4b).

a Tingkat konsentrasi lubang dan b profil rekombinasi radiasi di MQWs untuk LED A dan B, masing-masing. Kami mengumpulkan data di lokasi 120 μm dari tepi kanan mesa saat rapat arus 170 A/cm 2

Dampak dari persimpangan NPN-AlGaN juga dibenarkan oleh kinerja optik dan listrik yang dihitung untuk LED A dan B seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Gambar 5a menyajikan EQE dan kepadatan daya optik sebagai fungsi dari arus yang disuntikkan untuk kedua LED A dan B. Kita dapat melihat bahwa LED B memiliki EQE dan kepadatan daya optik yang lebih tinggi daripada LED A, berkat peningkatan efek penyebaran arus dan efisiensi injeksi lubang yang dimungkinkan oleh sambungan NPN-AlGaN. Misalnya, peningkatan kerapatan daya optik untuk LED B adalah ~ 1,67% saat kerapatan arus 170 A/cm 2 sesuai dengan Gambar 5a. Penyelidikan pada Gambar. 5b menggambarkan bahwa tegangan maju untuk LED B dengan persimpangan NPN-AlGaN memiliki sedikit peningkatan jika dibandingkan dengan untuk LED A. Kami menghubungkan fenomena ini dengan hambatan energi di daerah penipisan yang disebabkan oleh NPN-AlGaN persimpangan. Untungnya, tegangan maju LED B yang lebih tinggi tidak memiliki efek merugikan pada efisiensi colokan dinding (WPE), dan WPE untuk LED B melebihi untuk LED A ketika kerapatan arus injeksi lebih besar dari ~ 56 A/cm 2 seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c. Kami percaya bahwa peningkatan EQE dan WPE dapat direalisasikan setelah sambungan NPN-AlGaN dapat dioptimalkan, yang akan diselidiki sepenuhnya sebagai berikut.

a EQE dan kepadatan daya optik dalam hal arus injeksi, b karakteristik tegangan arus, dan c WPE sebagai fungsi arus injeksi untuk LED A dan B

Pengaruh Komposisi AlN untuk Lapisan p-AlGaN pada Efek Penyebaran Saat Ini

Pada bagian ini, dampak komposisi AlN untuk sambungan NPN-AlGaN pada sifat optik dan listrik untuk LED DUV dipelajari. Untuk menggambarkan mekanisme ini dengan jelas, kami menggunakan lima LED DUV, yaitu, LED Ci (i =1, 2, 3, 4, dan 5) dengan NPN-Al yang berbedax Ga1−x N persimpangan, yang komposisi AlN untuk p-Alx Ga1−x Lapisan penyisipan N adalah 0,60, 0,63, 0,66, 0,69, dan 0,72, masing-masing. Konsentrasi dan ketebalan doping untuk p-Alx Ga1−x Lapisan N adalah 1,8 × 10 18 cm −3 dan 20 nm, masing-masing. Dua sambungan NPN-AlGaN, yaitu sambungan NPNPN-AlGaN digunakan untuk semua perangkat yang dipelajari. Kami kemudian menghitung tinggi penghalang pita konduksi untuk setiap NPN-Alx Ga1−x Sambungan N untuk LED Ci (i =1, 2, 3, 4, dan 5) seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Terlihat jelas bahwa nilai tinggi penghalang konduksi meningkat seiring dengan komposisi AlN untuk p-Alx Ga1−x Lapisan penyisipan N meningkat. Tinggi penghalang konduksi yang tinggi dapat membuat nilai R npn meningkat, dan rasio penurunan I 1 /Aku 2 secara bersamaan dipicu seperti yang disebutkan dalam Persamaan. 3. Untuk membuktikan hal tersebut, distribusi lubang lateral di sumur kuantum terakhir untuk semua perangkat yang dipelajari ketika rapat arus adalah 170 A/cm 2 dihitung dan ditunjukkan pada Gambar. 6a. Untuk LED C1, distribusi lubang dapat dimodulasi setelah NPN-Al0,60 Ga0,40 Struktur N diadopsi, dan jelas bahwa efek penyebaran saat ini memperoleh peningkatan lebih lanjut setelah komponen AlN dari lapisan penyisipan p-AlGaN meningkat hingga 0,63 untuk struktur kami.

a Konsentrasi lubang horizontal di LQW, b tingkat konsentrasi lubang, dan c profil rekombinasi radiasi di MQW untuk LED A dan Di (i =1, 2, 3, 4, dan 5) saat rapat arus 170 A/cm 2 . Kami sengaja menggeser kurva untuk b dan c dengan 2 nm untuk memudahkan identifikasi

Kami mendemonstrasikan simulasi tingkat konsentrasi lubang dan profil rekombinasi radiasi di MQW untuk LED A dan Ci (i =1, 2, 3, 4, dan 5) pada Gambar 6b ​​dan c ketika rapat arus 170 A/cm 2 , masing-masing. Tingkat konsentrasi lubang dan profil rekombinasi radiasi dikumpulkan di lokasi 120 μm dari tepi kanan mesa. Kami secara spasial menggeser tingkat konsentrasi lubang dan profil rekombinasi radiasi pada Gambar. 6b dan c untuk LED DUV yang diselidiki masing-masing sebesar 2 nm untuk identifikasi yang lebih mudah. Konsentrasi lubang terendah di MQWs jelas diamati untuk LED A, dan dengan demikian, rekombinasi radiasi terendah juga ditunjukkan pada Gambar. 6c. Konsentrasi lubang dan rekombinasi radiasi di MQWs meningkat karena adopsi persimpangan NPN-AlGaN, dan mereka bahkan dapat lebih ditingkatkan dengan peningkatan komposisi AlN di lapisan penyisipan p-AlGaN.

Kepadatan daya optik dan EQE sebagai fungsi dari rapat arus injeksi dihitung lebih lanjut dan ditampilkan untuk LED yang dipelajari pada Gambar 7a. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, EQE dan kepadatan daya optik meningkat setelah persimpangan NPN-AlGaN diadopsi. Selain itu, EQE dan kerapatan daya optik dapat dipromosikan lebih lanjut seiring dengan meningkatnya komposisi AlN untuk lapisan penyisipan p-AlGaN. Kami berkontribusi ini untuk distribusi lubang lateral yang lebih homogen di MQWs seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a. Karakteristik tegangan arus untuk LED A dan Ci (i =1, 2, 3, 4, dan 5) disajikan pada Gambar 7b. Tegangan maju untuk LED C1 menunjukkan peningkatan yang kecil jika dibandingkan dengan LED A, dan LED C5 menunjukkan tegangan maju yang paling besar. Gambar sisipan menunjukkan tegangan maju untuk semua LED yang dipelajari saat rapat arus 170 A/cm 2 . Perlu dicatat bahwa tegangan maju menurun untuk LED C2, C3, dan C4 bila dibandingkan dengan LED A. Meskipun sambungan NPN-AlGaN meningkatkan resistansi vertikal untuk LED DUV, konsentrasi pembawa yang lebih seragam di sepanjang arah horizontal meningkatkan konduktivitas horizontal, sehingga menyebabkan tegangan maju berkurang. Ini menunjukkan bahwa efek penyebaran arus yang ditingkatkan dapat membantu mengurangi tegangan operasi maju untuk LED DUV selama lapisan penyebaran arus dirancang dengan benar [30]. Namun, desain kami memodulasi jalur arus dengan menginduksi hambatan, dan karenanya, ketinggian penghalang yang terlalu tinggi dapat mengorbankan konduktansi listrik [21], misalnya, LED C5.

a EQE dan kepadatan daya optik dalam hal arus injeksi dan b karakteristik tegangan arus untuk LED A dan Ci (i =1, 2, 3, 4, dan 5). Inset:tegangan maju untuk LED A dan Ci (i =1, 2, 3, 4, dan 5) saat rapat arus 170 A/cm 2

WPE sebagai fungsi kerapatan arus injeksi untuk semua perangkat yang dipelajari ditunjukkan pada Gambar 8. Jika dibandingkan dengan LED A, WPE LED C1 meningkat setelah sambungan NPN-AlGaN diadopsi. WPE untuk LED Ci (i =2, 3, 4, dan 5) dapat lebih ditingkatkan ketika komposisi AlN lapisan p-AlGaN meningkat untuk sambungan NPN-AlGaN. Namun, LED C2 menunjukkan WPE tertinggi karena tegangan operasi maju terendah meskipun kerapatan daya optik relatif rendah di antara LED Ci (i =2, 3, 4, dan 5). Selain itu, kami menunjukkan WPE dan EQE pada rapat arus injeksi 170 A/cm 2 untuk semua perangkat yang diselidiki dalam gambar sisipan. Telah diketahui dengan baik bahwa efek crowding saat ini serius pada kerapatan arus injeksi tinggi. Sambungan NPN-AlGaN untuk LED C5 berfungsi paling baik dalam menyeragamkan arus. Namun, WPE tidak memuaskan setelah tegangan operasi maju meningkat secara signifikan. Oleh karena itu, seseorang harus sepenuhnya mengoptimalkan nilai komponen AlN dari lapisan penyisipan p-AlGaN untuk sambungan NPN-AlGaN sebelum dapat memperoleh peningkatan untuk EQE dan WPE.

Hubungan antara WPE dan arus injeksi untuk LED A dan Ci (i =1, 2, 3, 4, dan 5). Inset:EQE dan WPE untuk LED yang diselidiki terstruktur dengan lapisan p-AlGaN dengan berbagai komponen AlN saat rapat arus 170 A/cm 2

Pengaruh Konsentrasi Doping Mg untuk Lapisan p-AlGaN pada Efek Penyebaran Saat Ini

Lebar daerah penipisan untuk sambungan NPN-AlGaN dapat diatur dengan memvariasikan konsentrasi doping Mg untuk lapisan penyisipan p-AlGaN, dan ketinggian penghalang pita konduksi juga akan berubah. Jadi, nilai R npn dapat ditingkatkan setelah daerah penipisan untuk sambungan NPN-AlGaN menjadi lebar, dan nilai I 1 /Aku 2 akan berkurang, yaitu, efek penyebaran arus untuk LED DUV dapat ditingkatkan. Untuk lebih menjelaskan intinya, lima LED DUV dengan konsentrasi doping Mg yang berbeda untuk lapisan penyisipan p-AlGaN di persimpangan NPN-AlGaN telah dirancang dan diselidiki. Kami mengatur konsentrasi doping Mg untuk lapisan p-AlGaN menjadi 3 × 10 17 , 7,5 × 10 17 , 1,7 × 10 18 , 2 × 10 18 , dan 3 × 10 18 cm −3 untuk LED Di (i =1, 2, 3, 4, dan 5), berturut-turut. Ketebalan dan komposisi AlN untuk lapisan penyisipan p-AlGaN masing-masing adalah 20 nm dan 0,61. Kami mengadopsi dua persimpangan NPN-AlGaN. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2, tinggi penghalang pita konduksi menjadi meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi doping Mg untuk lapisan p-AlGaN. Kemudian, kami menghitung dan menunjukkan konsentrasi lubang lateral di sumur kuantum terakhir ketika rapat arus 170 A/cm 2 pada Gambar 9a, dan jelas bahwa, dibandingkan dengan distribusi lubang lateral untuk LED A, distribusi lubang lateral menjadi lebih seragam ketika sambungan NPN-AlGaN diperkenalkan untuk LED DUV. Selain itu, distribusi lubang yang lebih homogen dapat diperoleh setelah konsentrasi doping Mg untuk lapisan p-AlGaN di persimpangan NPN-AlGaN meningkat.

a Konsentrasi lubang horizontal di LQW, b tingkat konsentrasi lubang, dan c profil rekombinasi radiasi di MQW untuk LED A dan Di (i =1, 2, 3, 4, dan 5) saat rapat arus 170 A/cm 2 . Kami sengaja menggeser kurva untuk b dan c dengan 2 nm untuk memudahkan identifikasi

Kemudian, tingkat konsentrasi lubang yang dihitung dan profil rekombinasi radiasi di MQW ditunjukkan untuk semua LED yang dipelajari pada Gambar 9b dan c ketika rapat arus 170 A/cm 2 , masing-masing, dan lokasi pengumpulan data berjarak 120 μm dari tepi mesa kanan. Seperti yang diharapkan, LED Di (i =1, 2, 3, 4, dan 5) memiliki tingkat konsentrasi lubang dan profil rekombinasi radiasi yang lebih tinggi pada MQWs jika dibandingkan dengan LED A, sedangkan konsentrasi lubang dan rekombinasi radiasi meningkat dengan meningkatnya konsentrasi doping Mg pada lapisan p-AlGaN untuk LED dengan sambungan NPN-AlGaN. Kami berkontribusi meningkatkan konsentrasi lubang di MQW untuk LED Di (i =1, 2, 3, 4, dan 5) untuk meningkatkan efek penyebaran arus.

Karena efek crowding arus yang berkurang dan konsentrasi lubang yang meningkat di MQW, LED Di (i =1, 2, 3, 4, dan 5) dengan demikian menunjukkan EQE yang dipromosikan dan densitas daya optik (lihat Gambar 10a). Karakteristik tegangan arus untuk LED A dan Di (i =1, 2, 3, 4, dan 5) diilustrasikan pada Gambar 10b. Rupanya, tegangan operasi maju untuk LED Di (i =1, 2, 3, 4, dan 5) meningkat dengan meningkatnya konsentrasi doping Mg untuk lapisan penyisipan p-AlGaN. Di antara mereka, LED D5 menunjukkan tegangan nyala terbesar, dan ini dianggap berasal dari dioda parasit yang disebabkan oleh tingkat konsentrasi doping Mg yang sangat tinggi di lapisan p-AlGaN. Menurut gambar inset Gambar 10b, juga terlihat bahwa LED D5 menunjukkan tegangan operasi maju terbesar di antara semua LED yang dipelajari ketika rapat arus injeksi adalah 170 A/cm 2 .

a EQE dan kepadatan daya optik dalam hal arus injeksi dan b karakteristik tegangan arus untuk LED A dan Di (i =1, 2, 3, 4, dan 5). Inset:tegangan maju untuk LED A dan Di (i =1, 2, 3, 4, dan 5) saat rapat arus 170 A/cm 2

Untuk analisis yang lebih komprehensif, kami menghitung WPE sebagai fungsi rapat arus injeksi untuk semua LED yang dipelajari seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 11. WPE untuk LED Di (i =1, 2, 3, dan 4) lebih tinggi daripada LED A. WPE untuk LED D5 melebihi LED A hanya jika rapat arus injeksi lebih besar dari 43 A/cm 2 . WPE yang lebih rendah untuk LED D5 pada rapat arus lebih kecil dari 43 A/cm 2 adalah karena konsumsi tegangan maju tambahan di persimpangan NPN-AlGaN seperti yang disebutkan sebelumnya. Dari gambar inset, terlihat bahwa EQE menunjukkan tren yang meningkat dengan meningkatnya konsentrasi doping Mg untuk lapisan p-AlGaN. Namun, WPE menurun dengan peningkatan lebih lanjut dari konsentrasi doping Mg untuk lapisan p-AlGaN. Oleh karena itu, kami menyimpulkan bahwa efek penyebaran arus dan tegangan maju sangat sensitif terhadap tingkat doping Mg dari lapisan penyisipan p-AlGaN.

Hubungan antara WPE dan arus injeksi untuk LED A dan Di (i =1, 2, 3, 4, dan 5). Inset:EQE dan WPE untuk LED yang diselidiki terstruktur dengan lapisan p-AlGaN dengan berbagai konsentrasi doping saat rapat arus 170 A/cm 2

Pengaruh Ketebalan Lapisan p-AlGaN pada Efek Penyebaran Saat Ini

Pada bagian ini, dampak ketebalan lapisan penyisipan p-AlGaN di persimpangan NPN-AlGaN pada kinerja LED diselidiki. Pertama-tama, dua persimpangan NPN-AlGaN (yaitu, persimpangan NPNPN-AlGaN) diterapkan untuk semua LED DUV yang dipelajari, di mana komposisi AlN dan konsentrasi doping untuk lapisan p-AlGaN di persimpangan NPN-AlGaN adalah 0,61 dan 1,5 × 10 18 cm −3 , masing-masing. Kami kemudian mengatur ketebalan yang berbeda dari 18, 20, 24, 28, dan 32 nm untuk lapisan p-AlGaN dalam LED Ti (i =1, 2, 3, 4, dan 5), berturut-turut. Perhitungan tinggi penghalang pita konduksi untuk setiap persimpangan NPN-AlGaN disajikan pada Tabel 3. Dapat dilihat bahwa tinggi penghalang pita konduksi meningkat ketika lapisan p-AlGaN di persimpangan NPN-AlGaN menjadi tebal, yang memungkinkan pengurangan Saya 1 /Aku 2 dan sejalan dengan itu, penyebaran arus yang lebih baik.

Kami menghitung dan menunjukkan konsentrasi lubang horizontal di LQW untuk LED A dan Ti (i =1, 2, 3, 4, dan 5) saat rapat arus 170 A/cm 2 pada Gambar 12a. Clearly, the hole distribution becomes more homogeneous when the NPN-AlGaN junction is introduced in the DUV LED structure, and it becomes more uniform if the thickness for the p-AlGaN layer in the NPN-AlGaN junction gets larger. The reduced current crowding effect is ascribed to the higher conduction band barrier height in the depletion region caused by the thickened p-AlGaN layer in the NPN-AlGaN junction. Figure 12b and c exhibit the hole concentration levels and radiative recombination profiles, respectively, for LEDs A and Ti (i =1, 2, 3, 4, and 5) at the injection current density of 170 A/cm 2 . The hole concentration levels and radiative recombination profiles are collected at the location of 120 μm away from the right-hand edge of the mesa. We can see that, when compared to that of LED A in the MQWs, LEDs Ti (i =1, 2, 3, 4, and 5) show the higher hole concentration levels and thus higher radiative recombination profiles. Once the thickness of the p-AlGaN layer is increased, further enhanced hole concentration and radiative recombination in the MQWs can be obtained.

a Horizontal hole concentration in the LQW, b hole concentration levels, and c radiative recombination profiles in the MQWs for LEDs A and Ti (i =1, 2, 3, 4, and 5) when the current density is 170 A/cm 2 . We purposely shift the curves for b dan c by 2 nm for easier identification

The observed optical power density and EQE for all studied LEDs in Fig. 13a agree well with the results shown in Fig. 12c, such that the increasing thickness for the p-AlGaN layer in the NPN-AlGaN junction can improve the optical power density and EQE. Moreover, we calculate and show the current-voltage characteristics for LEDs A and Ti (i =1, 2, 3, 4, and 5) in Fig. 13b. It shows that the forward operating voltages for LEDs Ti (i =1, 2, 3, and 4) exhibit a significant reduction when compared to that for LED A at the injection current density larger than 102 A/cm 2 , which is due to the significantly improved current spreading effect after adopting the NPN-Al0.61 Ga0.39 N junction as mentioned previously. However, a too thick p-AlGaN layer can cause an increase in the turn-on voltage owing to the parasitic N-AlGaN/P-AlGaN diode, e.g., LED T5 has the highest forward operating voltage among all the investigated LEDs when the current density is 170 A/cm 2 , which is also shown in the inset figure of Fig. 13b.

a EQE and optical power density in terms of the injection current and b current-voltage characteristics for LEDs A and Ti (i =1, 2, 3, 4, and 5). Inset:the forward voltages for LEDs A and Ti (i =1, 2, 3, 4, and 5) when the current density is 170 A/cm 2

To this end, it is particularly important to further discuss the impact of higher forward operating voltage on DUV LED performance. Therefore, we calculate the WPE for all investigate devices and show the results in Fig. 14. We can see that the WPE for all LEDs with NPN-AlGaN junction exhibits distinct enhancement when compared to that for LED A. The presented WPEs in the inset figure also indicate that the NPN-AlGaN-structured DUV LED can save more electrical power than LED A. It is worth mentioning that the thickness for the p-AlGaN layer cannot be improved blindly, such that only when the thickness is properly set, then fully maximized WPE can be obtained.

Relationship between WPE and the injection current for LEDs A and Ti (i =1, 2, 3, 4, and 5). Inset:the EQE and WPE for the investigated LEDs structured with a p-AlGaN layer with various thicknesses when the current density is 170 A/cm 2

Effect of the NPN-AlGaN Junction Number on the Current Spreading Effect

Finally, we investigate the influence of the NPN-AlGaN junction number on the current spreading effect. The p-Al0.61 Ga0.39 N layer is adopted in the NPN-AlGaN junction for the proposed DUV LEDs in this section, for which the Mg doping concentration and thickness are 1.5 × 10 18 cm −3 and 20 nm, respectively. LEDs Ni (i =1, 2, 3, 4, and 5) have 1, 2, 3, 4, and 5 NPN-AlGaN junctions, respectively. As presented in Table 4, the conduction barrier heights of all NPN-AlGaN junctions are almost the same for LEDs Ni (i =1, 2, 3, 4, and 5). However, the total conduction barrier height for NPN-Al0.61 Ga0.39 N junctions in each investigated DUV LED surely increases when more NPN-Al0.61 Ga0.39 N junctions are utilized. Thus, the value of N × R npn can be enhanced, which helps to better spread the current horizontally, i.e., the increased value of I 2 dalam Persamaan. 3 is favored. The enhanced current spreading effect can be observed in Fig. 15a. The hole concentration in the LQW can become more uniform if the NPN-AlGaN junction number becomes more.

a Horizontal hole concentration in the LQW, b hole concentration, and c radiative recombination profiles in the MQWs for LEDs A and Ni (i =1, 2, 3, 4, and 5) when the current density is 170 A/cm 2 . We purposely shift the curves for b dan c by 2 nm for easier identification

Then, the hole concentration levels and radiative recombination profiles in the MQWs for LEDs Ni (i =1, 2, 3, 4, and 5) when the current density is 170 A/cm 2 are exhibited in Fig. 15b and c, respectively. We collect the hole concentration levels and radiative recombination profiles at the location of 120 μm away from the right-hand mesa edge. The hole concentration and radiative recombination are improved by using the NPN-Al0.61 Ga0.39 N junction, and further improvement can be obtained when more NPN-AlGaN junctions are included. Ascribed to the enhanced hole concentration in the MQWs, the optical power density and EQE for the DUV LEDs with NPN-AlGaN junction also shows a significant improvement. The current-voltage characteristics for all studied devices are shown in Fig. 16b, which illustrates that the forward operating voltages for LEDs Ni (i =1, 2, 3, 4, and 5) are lower than that for LED A, and this indicates that the current spreading effect can help to reduce the forward voltage once the Mg doping concentration, thickness, and AlN composition for the p-AlGaN layer are appropriately applied to the NPN-AlGaN junction. The turn-on voltage for all LEDs with NPN-AlGaN junction is almost the same as that for LED A, which illustrates the negligible impact of the reversely biased N-AlGaN/P-AlGaN parasitic junction if the Mg doping concentration in the p-AlGaN layer is properly set, i.e., the p-AlGaN layer has to be completely depleted before the device is biased.

a EQE and optical power density in terms of the injection current and b current-voltage characteristics for LEDs A and Ni (i =1, 2, 3, 4, and 5). Inset:the forward voltages for LEDs A and Ni (i =1, 2, 3, 4, and 5) when the current density is 170 A/cm 2

Last but not the least, the WPEs have also been demonstrated for LEDs Ni (i =1, 2, 3, 4, and 5) in Fig. 17. The WPEs of all DUV LEDs with NPN-Al0.61 Ga0.39 N junction have been promoted owing to the reduced forward operating voltage. In the inset figure, we show the EQE and WPE for LEDs A and Ni (i =1, 2, 3, 4, and 5) when the current density is 170 A/cm 2 . Although the EQE and WPE for LEDs Ni (i =1, 2, 3, 4, and 5) increase with the increasing of the NPN-AlGaN junction number, clearly, we can see that the magnitude of the increase is gradually decreasing, which indicates that the NPN-AlGaN junction number also shall be set to a proper number, and we firmly believe that the device will consume more electrical power if too many NPN-AlGaN junctions are adopted in DUV LEDs.

Relationship between WPE and the injection current for LEDs A and Ni (i =1, 2, 3, 4, and 5). Inset:the EQE and WPE for the investigated LEDs structured with various NPN-AlGaN number when the current density is 170 A/cm 2

Kesimpulan

To conclude, we have suggested embedding the NPN-AlGaN junction in the n-type electron supplier layer for DUV LEDs. After comprehensive and systematic discussions, we find that the NPN-AlGaN junction can reduce the current crowding effect in the p-type hole supplier layer and improve the hole injection for DUV LEDs. The NPN-AlGaN junction can tune the conductivity for the n-type electron supplier layer so that the current path in the p-type hole supplier layer can be manipulated. For further explorations, we have investigated the impact of different parameters for NPN-AlGaN junctions on the current spreading effect, the EQE, and the WPE. We find that the current can be further homogenized if the AlN composition, the Mg doping concentration, the thickness of the p-AlGaN insertion layer, and the NPN-AlGaN junction number are increased properly. Although the EQE can be promoted by using the proposed NPN-AlGaN junctions, the WPE is not always monotonically improving, which arises from the additional voltage drop at the barriers within the NPN-AlGaN junctions. Hence, more attention shall be made when designing NPN-AlGaN current spreading layers for DUV LEDs. However, we firmly believe that our results have provided an alternative design strategy to reduce the current crowding effect for DUV LEDs. Meanwhile, we also have introduced additional device physics and hence are very useful for the community.

Ketersediaan Data dan Materi

The data and the analysis in the current work are available from the corresponding authors on reasonable request.

Singkatan

APSYS:

Advanced Physical Models of Semiconductor Devices

CL:

Current spreading layer

DUV LEDs:

Deep ultraviolet light-emitting diodes

EQE:

Efisiensi kuantum eksternal

ITO:

Indium timah oksida

LQW:

Last quantum well

MQWs:

Multiple quantum wells

NPN-AlGaN:

n-AlGaN/p-AlGaN/n-AlGaN

IQE:

Internal quantum efficiency

SRH:

Shockley-Read-Hall

WPE:

Wall-plug efficiency

ZGO:

Zinc gallate


bahan nano

  • Logam
  • Pembuluh darah
  • serat
  • bahan komposit
  • bahan nano
  • Bahan Polimer
  • Biologis
  • Pewarna
  • rempah-rempah
    1. 4 Jenis Drive Berslot Utama untuk Pengencang
    2. Membuat chip neuromorfik untuk komputasi AI
    3. Desain Lapisan Emisi untuk Pengganda Elektron
    4. Sintesis Hijau InP/ZnS Core/Shell Quantum Dots untuk Aplikasi di Dioda Pemancar Cahaya Bebas Logam Berat
    5. Prekursor titanium optimal untuk fabrikasi lapisan padat TiO2 untuk sel surya perovskit
    6. Hampir Efisien-Droop-Gratis Dioda Pemancar Cahaya Ultraviolet Berbasis AlGaN dengan Lapisan Pemblokiran Elektron Tipe-p Superlattice yang Dirancang Khusus untuk Efisiensi Doping Mg Tinggi
    7. Dioda pemancar cahaya perovskit luminance tinggi dengan pelarut alkohol polaritas tinggi yang memperlakukan PEDOT:PSS sebagai lapisan transport lubang
    8. Pada p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN Current Spreading Layer untuk Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes berbasis AlGaN
    9. Pengaruh Lebar Sumur Kuantum pada Sifat Elektroluminesensi AlGaN Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes pada Suhu Berbeda
    10. Integrasi Perovskit Ramah Lingkungan untuk Dioda Pemancar Cahaya Putih Efisiensi Tinggi