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
Abstrak
Karya ini melaporkan dioda pemancar cahaya ultraviolet (DUV LED) berbasis AlGaN yang hampir bebas-efisiensi dan bebas-jatuh dalam panjang gelombang puncak 270 nm. LED DUV menggunakan lapisan pemblokiran elektron tipe-p superlattice yang dirancang khusus (p-EBL). P-EBL superlattice memungkinkan konsentrasi lubang yang tinggi di p-EBL yang secara bersamaan meningkatkan efisiensi injeksi lubang ke dalam beberapa sumur kuantum (MQWs). Konsentrasi lubang yang ditingkatkan dalam wilayah MQW dapat lebih efisien bergabung kembali dengan elektron dengan cara mendukung rekombinasi radiasi, yang mengarah ke tingkat kebocoran arus elektron yang berkurang. Akibatnya, efisiensi kuantum eksternal untuk struktur LED DUV yang diusulkan meningkat sebesar 100% dan struktur LED DUV yang hampir tanpa efisiensi diperoleh secara eksperimental.
Latar Belakang
Sinar ultraviolet dalam rezim panjang gelombang 200 nm~280 nm telah menemukan aplikasi potensial dalam sistem pemurnian air [1, 2]. Mempertimbangkan tegangan penggerak DC yang rendah dan semakin kompatibel dengan sistem pemurnian air, dioda pemancar cahaya ultraviolet dalam (DUV LEDs) berbasis AlGaN dipilih sebagai kandidat yang sangat baik. Perlu disebutkan bahwa mengolah air dengan volume besar memerlukan sistem pemurnian untuk menyediakan sumber cahaya UVC berdaya tinggi. Namun, efisiensi kuantum eksternal (EQE) untuk LED DUV berbasis AlGaN dengan panjang gelombang emisi lebih pendek dari 280 nm tidak terpenuhi pada saat ini [3]. Faktor pembatas utama untuk EQE yang buruk sebagian muncul dari kerapatan dislokasi ulir besar (TDD) di sumur kuantum kaya Al [2, 3]. Efisiensi kuantum internal (IQE) dengan cepat menurun setelah TDD berada di urutan 10
9
cm
−2
[3]. Bahkan jika TDD dikurangi menjadi 10
8
cm
−2
yang dapat mengaktifkan IQE 60~80%, efek penurunan efisiensi dapat menyebabkan EQE lebih rendah dari 5% untuk LED UVC telanjang ketika kerapatan arus injeksi melebihi 80 A/cm
2
[4]. Catatan, efisiensi ekstraksi cahaya (LEE) untuk chip LED UVC telanjang adalah ~ 10% menurut perhitungan FDTD [5]. Salah satu interpretasi terkemuka untuk penurunan efisiensi LED berbasis III-nitrida adalah limpahan elektron ke lapisan injeksi lubang tipe-p [6]. Lapisan injeksi lubang tipe-p AlGaN yang kaya Al memiliki konsentrasi lubang bebas bahkan lebih rendah dari 1 × 10
17
cm
−3
[7], cenderung menyebabkan tingkat kebocoran elektron yang lebih parah. Mehnke dkk. telah mengukur emisi parasit yang terjadi di lapisan injeksi lubang tipe-p dan emisi parasit dikaitkan dengan kebocoran elektron [8]. Untuk mengurangi pelepasan elektron dari beberapa sumur kuantum (MQWs), seseorang dapat meningkatkan laju penangkapan elektron dengan memasukkan lapisan lonjakan tunggal dalam penghalang kuantum [9]. Lapisan spike memiliki komposisi Al yang lebih tinggi daripada penghalang kuantum sehingga medan listrik yang diinduksi polarisasi pada lapisan spike dapat mengurangi kecepatan drift elektron dengan baik. Oleh karena itu, peningkatan efisiensi penangkapan diaktifkan hanya jika LED DUV ditumbuhkan di sepanjang orientasi [0001]. Metode lain yang efektif untuk meningkatkan laju penangkapan elektron adalah dengan meningkatkan offset pita konduksi antara penghalang kuantum dan sumur kuantum, yang dapat diwujudkan dengan meningkatkan komposisi Al secara tepat [10], sedangkan arsitektur penghalang kuantum dapat dikembangkan lebih lanjut dengan memiliki komposisi Al bergradasi [11]. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, konsentrasi lubang bebas untuk lapisan injeksi lubang AlGaN tipe-p kaya Al rendah yang mengarah pada kemampuan injeksi lubang yang buruk ke wilayah MQW. Injeksi lubang yang buruk juga dianggap sebagai penyebab kebocoran elektron [12]. Metode yang menjanjikan untuk meningkatkan emisi termionik lubang melintasi lapisan pemblokiran elektron tipe-p (p-EBL) adalah dengan memberi energi lubang dengan mengadopsi reservoir medan listrik [13]. Transportasi lubang juga dapat disukai jika lapisan injeksi lubang berbasis p-AlGaN dengan komposisi Al bertangga digunakan untuk LED DUV [14]. Komposisi Al bertingkat dapat digantikan lebih lanjut dengan komposisi Al bergradasi untuk lapisan AlGaN untuk meningkatkan konsentrasi lubang [15,16,17]. Selain merekayasa lapisan injeksi lubang, p-EBL alternatif juga disarankan untuk mengurangi efek pemblokiran lubang, misalnya, memasukkan lapisan AlGaN tipis dengan komposisi Al yang lebih rendah [18]. Struktur yang sangat penting untuk kandidat p-EBL adalah superlattice p-EBL. Upaya penelitian yang luar biasa telah dilakukan untuk mengeksplorasi dampak superlattice GaN/AlGaN untuk LED biru berbasis GaN [19,20,21]. Namun demikian, AlGaN p-EBL untuk LED biru memiliki komposisi AlN yang lebih rendah dari 20%, sehingga efek pemblokiran lubang untuk LED biru tidak separah untuk LED DUV. Oleh karena itu, peningkatan EQE lebih kecil dari 20% dan penurunan efisiensi masih terlihat meskipun superlattice p-EBL GaN/AlGaN diadopsi untuk LED biru. LED DUV menggunakan p-EBL yang kaya Al, sehingga menimbulkan masalah injeksi lubang yang lebih menantang [1]. Untuk mengatasi efek pemblokiran lubang yang disebabkan oleh p-EBL yang kaya Al, p-EBL superlattice juga disarankan untuk LED DUV, misalnya, AlInGaN/AlGaN superlattice p-EBL [22] dan AlGaN/AlGaN superlattice p-EBL [23]. Namun, bukti eksperimental p-EBL superlattice yang membantu mendapatkan EQE yang tinggi dan hampir tanpa efisiensi kurang untuk LED DUV pada tahap ini. Oleh karena itu, karya ini secara eksperimental menunjukkan keefektifan superlattice p-EBL AlGaN/AlGaN yang dirancang khusus dalam meningkatkan EQE dan secara signifikan menekan penurunan efisiensi untuk LED DUV. EQE yang ditingkatkan dikaitkan dengan baik dengan injeksi lubang yang ditingkatkan ke wilayah MQW sementara tingkat kebocoran elektron yang berkurang membantu untuk sangat menekan penurunan efisiensi. Mekanisme terperinci akan disajikan dalam karya ini selanjutnya.
Metode/Eksperimental
Dua arsitektur LED DUV (LED A dan B seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1) dalam karya ini ditumbuhkan pada template AlN dengan sistem deposisi uap kimia logam-organik (MOCVD). Template AlN setebal 4 m ditumbuhkan pada substrat safir berorientasi [0001] dengan menggunakan metode Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE). Kami menumbuhkan 20 periode AlN/Al0,50 Ga0,50 N superlattice pada templat AlN, yang berfungsi sebagai lapisan pelepas regangan untuk lapisan epi yang selanjutnya tumbuh. n-Al setebal 2 m0,60 Ga0,40 Lapisan N yang memiliki konsentrasi elektron 1 x 10
18
cm
−3
tumbuh untuk menyediakan elektron. Foton DUV dihasilkan oleh Al0,45 five lima periode Ga0,55 T/Al0,56 Ga0,44 N MQW yang memiliki Al0,45 setebal 3-nm Ga0,55 N sumur kuantum dan Al setebal 12 nm0,56 Ga0,44 N hambatan kuantum. MQW kemudian dibatasi oleh p-EBL berbasis AlGaN setebal 10 nm. Dalam percobaan kami, kami merancang dan menumbuhkan dua jenis p-EBL untuk LED A dan B, masing-masing. LED A memiliki Al0,60 Ga0,40 P-EBL berbasis N dan LED B memiliki Al 1-nm lima periode0,45 Ga0,55 N/1-nm Al0,60 Ga0,40 p-EBL berbasis N. Perhatikan, loop p-EBL superlattice kami dimulai dari Al0,45 Ga0,55 N lapisan tipis setelah menumbuhkan Al terakhir0,56 Ga0,44 N penghalang kuantum. Dengan demikian, antarmuka penghalang kuantum terakhir / superlattice p-EBL dipolarisasi dengan menghasilkan muatan lembaran yang diinduksi polarisasi negatif, yang membantu menguras akumulasi elektron di penghalang kuantum terakhir dan selanjutnya menekan kebocoran elektron. P-EBL kemudian diikuti oleh p-Al 50 nm0,40 Ga0,60 Pemasok lubang p-GaN N/50 nm. Terakhir, lapisan p-GaN dilapisi dengan p
+
yang sangat didoping Mg setebal 10 nm. -GaN lapisan. Wafer LED DUV dianil secara termal in situ pada suhu 800 °C di N2 ambient selama 15 menit untuk memisahkan ikatan H–Mg. Konsentrasi lubang kemudian diperkirakan secara kasar menjadi 1 × 10
17
cm
−3
dan 3 × 10
17
cm
−3
untuk lapisan p-AlGaN yang kaya Al dan lapisan p-GaN, masing-masing.
Struktur arsitektur skematis untuk LED yang dipelajari. Diagram pita energi sketsa untuk dua p-EBL juga disediakan:LED A memiliki p-Al0,60 Ga0,40 EBL berbasis N dan LED B memiliki p-Al0,45 Ga0,55 T/Al0,60 Ga0,40 N superlattice EBL. p-Al0,45 Ga0,55 T/Al0,60 Ga0,40 N superlattice EBL dirancang khusus sedemikian rupa sehingga memulai p-Al0,45 tipis Ga0,55 N layer sehingga interface untuk p-Al0.45 Ga0,55 T/Al0,56 Ga0,44 N penghalang kuantum terakhir memiliki muatan antarmuka polarisasi negatif. E berarti tingkat energi.
Wafer LED DUV dibuat menjadi chip LED DUV dengan mengikuti proses fabrikasi mikro standar. Mesa diperoleh dengan melakukan etsa plasma berpasangan induktif (ICP) dan ukuran mesa adalah 650 × 320 μm
2
. Tumpukan logam Ti/Al diendapkan pada n-Al0,60 Ga0,40 N layer, yang kemudian dianil di N2 selama 1 menit pada suhu 900 °C. Penyebaran arus Ni/Au dilapisi pada permukaan mesa dan kemudian dianil dalam O2 selama 5 menit pada suhu 550 °C. Terakhir, kami mendepositkan logam Ti/Al/Ni/Au secara bersamaan pada paduan Ti/Al dan lapisan penyebaran arus Ni/Au yang masing-masing berfungsi sebagai elektroda-n dan elektroda-p reflektif. Chip LED DUV adalah perangkat flip-chip, dan foton DUV dikumpulkan dari sisi safir oleh bola terintegrasi.
Untuk lebih mengungkapkan asal mendalam untuk EQE yang ditingkatkan dan penurunan efisiensi yang ditekan, perhitungan numerik dilakukan dengan menggunakan paket APSYS [13, 18]. Parameter fisik penting yang digunakan untuk menghitung peristiwa rekombinasi pembawa dan kerugian pembawa termasuk masa pakai rekombinasi Shockley-Read-Hall (SRH), koefisien rekombinasi Auger, rasio offset pita energi untuk antarmuka AlGaN/AlGaN, dan tingkat polarisasi untuk [0001] struktur III-nitrida berorientasi ], yang disetel ke 10 ns, 1 × 10
−30
cm
6
s
−1
, 50:50, dan 40%, masing-masing [13, 18]. LEE disetel ke 10% untuk chip LED DUV kosong dengan lapisan p-GaN serap setebal 50 nm [5].
Hasil dan Diskusi
Spektrum electroluminescence (EL) yang diukur secara eksperimental pada tingkat kerapatan arus yang berbeda untuk LED A dan B disajikan pada Gambar 2a. Spektrum EL dikumpulkan dalam kondisi berdenyut dengan siklus kerja 0,1% untuk menghindari efek pemanasan sendiri. Gambar 2a menunjukkan bahwa panjang gelombang emisi puncak untuk kedua perangkat LED DUV adalah ~ 270 nm. Panjang gelombang emisi puncak stabil dalam rentang arus yang diuji karena penghapusan efek pemanasan sendiri. Intensitas EL untuk LED B lebih kuat daripada untuk LED A. Gambar 2b menunjukkan daya optik dan EQE sebagai fungsi rapat arus injeksi, yang menggambarkan bahwa EQE ditingkatkan sebesar ~ 90%. Selanjutnya, tingkat penurunan efisiensi adalah ~ 24 dan ~ 4% untuk LED A dan B pada tingkat kepadatan arus 110 A/cm
2
, masing-masing [droop = (EQEmaksEQEJ )/EQEmaks , di mana EQEmaks dan EQEJ menunjukkan EQE maksimum dan EQE pada rapat arus J ]. Gambar 2c menyajikan kerapatan daya optik yang dihitung secara numerik dan EQE dalam hal kerapatan arus injeksi. Hasil yang dihitung secara numerik dan yang diukur secara eksperimental cocok satu sama lain, sehingga LED B menunjukkan EQE yang ditingkatkan dan tingkat penurunan efisiensi yang secara substansial berkurang. Kesepakatan antara Gbr. 2b dan 2c memvalidasi model fisik dan parameter yang kami tetapkan untuk perhitungan.
a Spektrum EL terukur pada kerapatan arus 10, 30, 50, dan 70 A/cm
2
. b Daya optik dan EQE terukur. c Daya optik yang dihitung dan EQE untuk LED A dan B, masing-masing
Kedua LED DUV berbeda satu sama lain hanya di p-EBL. Oleh karena itu, diperlukan untuk menyelidiki peran superlattice p-EBL dalam meningkatkan kinerja optik untuk LED B. Gambar 3a menyajikan profil konsentrasi lubang di seluruh wilayah MQW untuk LED A dan B pada kerapatan arus 50 A/cm
2
. Hal ini menunjukkan bahwa tingkat konsentrasi lubang dalam MQWs untuk LED B lebih tinggi daripada untuk LED A. Seperti yang telah dilaporkan, p-EBL mengurangi tingkat kebocoran elektron sekaligus menghambat injeksi lubang [24]. Pendekatan yang berguna untuk mengurangi efek pemblokiran lubang adalah dengan meningkatkan konsentrasi lubang di dalam wilayah p-EBL, yang kemudian membantu mengurangi ketinggian penghalang pita valensi [25]. Gambar 3b kemudian menunjukkan tingkat konsentrasi lubang di p-EBL dan p-Al0,40 Ga0,60 N lapisan untuk LED A dan B dengan kerapatan arus 50 A/cm
2
. Konsentrasi lubang rata-rata di superlattice p-EBL untuk LED B jauh lebih tinggi daripada untuk LED A dengan dua kali lipat. Konsentrasi lubang yang lebih besar di superlattice p-EBL dikaitkan dengan baik dengan transportasi lubang yang sangat baik. Menariknya, jika kita melihat lebih jauh ke dalam Gambar. 3b, kita menemukan bahwa konsentrasi lubang pada p-EBL/p-Al0,40 Ga0,60 Antarmuka N menjadi lebih rendah untuk LED A, yang juga mencerminkan efisiensi injeksi lubang yang lebih halus melalui superlattice p-EBL untuk LED B.
Profil konsentrasi lubang yang dihitung secara numerik a di MQW dan b di lapisan injeksi lubang tipe-p untuk LED A dan B, masing-masing; c spektrum EL yang diukur secara eksperimental dalam skala semi-log pada kerapatan arus 10, 30, 50, dan 70 A/cm
2
untuk LED A dan B, masing-masing; d tingkat konsentrasi elektron yang dihitung secara numerik dalam lapisan injeksi lubang tipe-p untuk LED A dan B. Data yang dihitung secara numerik dikumpulkan pada kerapatan arus 50 A/cm
2
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, efisiensi untuk LED terkait erat dengan tingkat kebocoran elektron. Oleh karena itu, kami menampilkan spektrum EL terukur untuk LED A dan B dalam skala semi-log (lihat Gbr. 3c) untuk menunjukkan informasi mendetail mengenai pendaran parasit. Panjang gelombang emisi puncak untuk luminesensi parasit berpusat pada ~ 425 nm, yang mungkin timbul dari tingkat dalam yang terkait dengan dopan Mg [26]. Intensitas pendaran parasit untuk LED B lebih kuat daripada LED A, dan diperkirakan bahwa lebih banyak pembawa bergabung kembali di tingkat yang dalam. Dalam percobaan kami, lapisan injeksi lubang tipe-p untuk kedua arsitektur LED DUV tidak direkayasa, dan tingkat konsentrasi lubang di lapisan injeksi lubang harus serupa. Oleh karena itu, diidentifikasi bahwa elektron yang lepas dari wilayah MQW memiliki konsentrasi yang lebih tinggi di lapisan injeksi lubang untuk LED B daripada untuk LED A. Saran kami selanjutnya didukung oleh Gambar 3d yang menunjukkan profil konsentrasi elektron di p- ketik lapisan injeksi lubang untuk LED A dan B pada kerapatan arus 50 A/cm
2
. Ini juga berarti bahwa arus kebocoran elektron telah berkurang secara signifikan berkat p-EBL superlattice untuk LED B.
Kami kemudian menyajikan profil yang dihitung dari tingkat rekombinasi radiasi untuk LED A dan B pada Gambar. 4 yang dikumpulkan pada tingkat kepadatan saat ini sebesar 50 A/cm
2
. Dapat disimpulkan bahwa tingkat rekombinasi radiasi untuk LED B lebih kuat daripada LED A berkat superlattice p-EBL yang diusulkan, yang bahkan lebih mendukung injeksi lubang ke wilayah MQW dan sementara itu menekan tingkat kebocoran elektron.
Profil tingkat rekombinasi radiasi yang dihitung secara numerik untuk LED A dan B. Data dikumpulkan pada tingkat kepadatan saat ini sebesar 50 A/cm
2
Gambar 5a dan 5b menunjukkan pita energi di sekitar p-EBL untuk kedua perangkat LED DUV. Pita energi dihitung pada kerapatan arus 50 A/cm
2
. Seperti yang telah dilaporkan oleh Zhang et al. [27], polarisasi kuat menginduksi muatan positif pada penghalang kuantum terakhir / antarmuka p-EBL dapat secara signifikan menarik elektron, sehingga menimbulkan konsentrasi elektron lokal yang tinggi. Konsentrasi elektron lokal yang tinggi dapat mengurangi ketinggian penghalang pita konduksi yang efektif (Øe ) untuk p-EBL yaitu ~ 295 meV untuk LED A. Jika p-EBL berbasis AlGaN massal digantikan oleh p-EBL superlattice spesifik dalam pekerjaan ini (yaitu, loop p-EBL superlattice dimulai dari lapisan AlGaN tipis dengan celah pita energi yang lebih kecil daripada penghalang kuantum AlGaN terakhir), pita konduksi untuk penghalang kuantum terakhir diberi judul ke atas (lihat Gambar 5b), dan ini mendukung penipisan elektron di penghalang kuantum terakhir yang kemudian meningkatkan e hingga ~ 391 meV dan memungkinkan pelepasan elektron yang lebih kecil melalui emisi termionik [28]. Selanjutnya, p-EBL superlattice memfasilitasi proses tunneling intra-band untuk lubang, akibatnya konsentrasi lubang di p-EBL juga menjadi lebih tinggi (lihat Gambar. 3b) Peningkatan konsentrasi lubang di p-EBL untuk LED cenderung mengurangi ketinggian penghalang pita valensi efektif (Øh ) [25], yaitu nilai Øh adalah ~ 324 meV dan ~ 281 meV untuk LED A dan B, masing-masing pada rapat arus 50 A/cm
2
. Ø . yang lebih kecil lagi h untuk LED B pada gilirannya mendukung emisi termionik untuk lubang. Perlu dicatat bahwa p-EBL superlattice juga dapat menyebabkan tunneling intra-band untuk elektron. Untungnya, peningkatan konsentrasi lubang di MQW dapat lebih baik mengkonsumsi elektron dengan rekombinasi radiasi, yang juga memberikan kontribusi untuk mengurangi kebocoran elektron [12]. Karena injeksi lubang yang lebih disukai dan arus rekombinasi yang lebih kuat yang dihasilkan oleh proses rekombinasi radiasi yang terjadi di wilayah MQW, tegangan maju menjadi lebih kecil untuk LED B daripada untuk LED A menurut Gambar 5c.
Profil pita energi yang dihitung secara numerik di sekitar a p-EBL berbasis AlGaN massal untuk LED A, b superlattice p-EBL untuk LED B, dan c mengukur rapat arus dalam hal bias yang diterapkan untuk LED A dan B. Data untuk a dan b dihitung pada kerapatan arus 50 A/cm
2
. EC , EV , Øe , dan Øh menunjukkan pita konduksi, pita valensi, dan ketinggian penghalang efektif untuk pita konduksi dan pita valensi, masing-masing
Kesimpulan
Untuk meringkas, pekerjaan ini telah melaporkan p-EBL superlattice khusus untuk LED DUV, yang dapat mempertahankan efisiensi injeksi lubang yang dipromosikan dan penurunan kebocoran elektron ke dalam lapisan injeksi lubang tipe-p pasif. Oleh karena itu, baik secara numerik maupun eksperimental, EQE yang ditingkatkan dan penurunan efisiensi yang sangat ditekan diperoleh. Kami sangat yakin bahwa struktur LED DUV yang diusulkan sangat menjanjikan untuk mewujudkan LED DUV efisiensi tinggi dan fisika perangkat yang diungkapkan oleh karya ini memperkenalkan lebih banyak pemahaman kepada komunitas optoelektronik berbasis III-nitrida.
Singkatan
APSYS:
Model Fisik Perangkat Semikonduktor Tingkat Lanjut
