LED UV Dalam AlGaN Ultra-Efisien dengan Lapisan Pemblokir Elektron Superjaring p untuk Penurunan Efisiensi Nyaris Nol

Abstrak

Studi ini menyajikan LED UV dalam AlGaN hampir bebas penurunan efisiensi yang memancarkan pada 270 nm. Inovasi kunci adalah lapisan pemblokir elektron tipe p superjaring (p-EBL) yang dirancang secara khusus yang menghasilkan konsentrasi lubang tinggi, meningkatkan injeksi lubang vào kuis kuantum ganda (MQWs). Kepadatan lubang yang lebih tinggi mempromosikan rekombinasi radiatif dan menekan kebocoran elektron, menggandakan efisiensi kuantum eksternal (EQE) dibandingkan dengan desain konvensional.

Latar Belakang

Cahaya UV dalam (DUV) pada rentang 200–280 nm sangat penting untuk aplikasi seperti sistem pemurnian air. LED DUV berbasis AlGaN menarik karena tegangan pengendang yang rendah dan kompatibilitas dengan arsitektur pemurnian yang ada. Namun, mencapai EQE tinggi pada panjang gelombang di bawah 280 nm masih menantang. Kepadatan dislokasi benang (TDD) pada kuis kuantum kaya Al biasanya pada orde 10⁹ cm⁻², yang secara parah membatasi efisiensi kuantum internal (IQE). Bahkan ketika TDD diturunkan ke 10⁸ cm⁻², penurunan efisiensi pada arus injeksi di atas 80 A cm⁻² dapat menurunkan EQE di bawah 5 %. Efisiensi ekstraksi cahaya (LEE) untuk chip DUV polos hanya sekitar 10 % menurut simulasi FDTD. Kontributor utama terhadap penurunan dalam LED nitrida III adalah tirisan elektron ke lapisan injeksi lubang tipe p, di mana konsentrasi lubang bebas dapat rendah hingga 10¹⁷ cm⁻³. Berbagai strategi—seperti menyisipkan lapisan duri, mengoreksi komposisi Al, atau menambahkan lapisan AlGaN Al rendah—telah dieksplorasi untuk meningkatkan tangkapan elektron, namun efek pemblokiran lubang dari p-EBL kaya Al masih menjadi hambatan untuk LED DUV. p-EBL superjaring, yang sebelumnya divisualisasikan untuk LED biru, menawarkan jalur yang menjanjikan untuk meningkatkan transportasi lubang dan mengurangi kebocoran elektron, namun bukti eksperimental untuk perangkat DUV langka. Pekerjaan ini secara eksperimental menunjukkan bahwa p-EBL superjaring AlGaN/AlGaN yang dirancang secara spesifik dapat secara bersamaan meningkatkan injeksi lubang dan menekan penurunan efisiensi, mencapai penurunan nyaris nol dan peningkatan EQE sebesar 100 %.

Metode/Eksperimen

Dua arsitektur LED (LED A dan LED B, ditunjukkan dalam Gambar 1) ditanam pada templat AlN tebal 4 µm yang dibuat pada safir bidang c melalui epitaksi fasa uap hidrida (HVPE). Superjaring 20 periode AlN/Al₀,₅₀Ga₀,₅₀N berfungsi sebagai penanggulang regangan. Lapisan n-Al₀,₆₀Ga₀,₄₀N tebal 2 µm dengan konsentrasi elektron 1 × 10¹⁸ cm⁻³ menyediakan kontak n. Wilayah aktif terdiri dari lima periode kuis kuantum Al₀,₄₅Ga₀,₅₅N (3 nm) dan penghalang Al₀,₅₆Ga₀,₄₄N (12 nm). Lapisan p-AlGaN tebal 10 nm menutupi MQWs. LED A menggunakan p-EBL bulk Al₀,₆₀Ga₀,₄₀N, sedangkan LED B mengintegrasikan superjaring lima periode yang terdiri dari lapisan Al₀,₄₅Ga₀,₅₅N 1 nm / Al₀,₆₀Ga₀,₄₀N 1 nm. Desain ini memulai superjaring segera setelah penghalang terakhir, memastikan muatan sheet negatif yang diinduksi polarisasi pada antarmuka penghalang/EBL, yang mengurangi elektron dan menekan kebocoran. Lapisan berikutnya mencakup 50 nm p-Al₀,₄₀Ga₀,₆₀N dan 50 nm p-GaN, diikuti oleh cap p⁺-GaN terdop Mg tebal 10 nm. Wafer dianil pada 800 °C dalam N₂ selama 15 menit untuk mengaktifkan donor Mg, menghasilkan konsentrasi lubang sekitar 1 × 10¹⁷ cm⁻³ (p-AlGaN) dan 3 × 10¹⁷ cm⁻³ (p-GaN).

Perangkat diproses menjadi LED flip-chip dengan mesas 650 × 320 µm². Kontak Ti/Al disetor pada sisi n dan dianil pada 900 °C (1 menit). Lapisan penyebar arus Ni/Au diterapkan dan dianil pada 550 °C (5 menit). Elektrode n dan p akhir dibentuk dengan tumpukan Ti/Al/Ni/Au. Ekstraksi cahaya diukur dengan bola integrasi pada sisi safir.

Simulasi numerik dilakukan menggunakan paket APSYS, mengintegrasikan umur SRH (10 ns), koefisien Auger (1 × 10⁻³⁰ cm⁶ s⁻¹), rasio offset band 50:50, dan 40 % polarisasi untuk orientasi [0001]. LEE diatur ke 10 % untuk chip DUV polos.

Hasil dan Pembahasan

Spektral elektroluminesensi (EL) yang diukur (Gambar 2a) menunjukkan puncak stabil sekitar 270 nm untuk kedua LED dalam rentang arus yang diuji, mengonfirmasi pemanasan diri yang minimal. LED B menunjukkan intensitas EL yang lebih kuat. Daya optik dan EQE terhadap kepadatan arus (Gambar 2b) mengungkapkan peningkatan EQE sekitar 90 % untuk LED B, dengan penurunan efisiensi yang berkurang dari sekitar 24 % (LED A) menjadi sekitar 4 % (LED B) pada 110 A cm⁻². Hasil numerik (Gambar 2c) cocok dengan data eksperimental, memvalidasi model simulasi.

Gambar 3a menunjukkan bahwa konsentrasi lubang dalam MQWs lebih tinggi untuk LED B. p-EBL superjaring meningkatkan kepadatan lubang dua orde magnitud (Gambar 3b), mengurangi ketinggian hambatan band valensi dan memfasilitasi transportasi lubang termionik. Akibatnya, kebocoran elektron ke lapisan tipe p ditekan, seperti yang dibuktikan oleh konsentrasi elektron yang lebih rendah dalam lapisan injeksi lubang (Gambar 3d).

Laju rekombinasi radiatif (Gambar 4) lebih tinggi pada LED B, mengonfirmasi bahwa injeksi lubang yang ditingkatkan secara langsung meningkatkan generasi foton sambil menekan penurunan.

Simulasi band energi (Gambar 5) mengilustrasikan bahwa p-EBL superjaring meningkatkan hambatan band konduksi (dari sekitar 295 meV menjadi sekitar 391 meV) dan menurunkan hambatan band valensi (dari sekitar 324 meV menjadi sekitar 281 meV), sehingga menekan pelarian elektron dan meningkatkan emissi termionik lubang. Hambatan yang diminjau juga menurunkan tegangan maju (Gambar 5c).

Kesimpulan

Pekerjaan ini menunjukkan bahwa p-EBL superjaring AlGaN/AlGaN yang dirancang dengan cermat memungkinkan peningkatan injeksi lubang dan penekanan kebocoran elektron secara bersamaan dalam LED DUV 270 nm. Hasilnya adalah peningkatan EQE sebesar 100 % dan penurunan dramatis dalam penurunan efisiensi, mendekatkan perangkat pada batas teoretis. Temuan ini memberikan jalur yang jelas untuk emisor DUV generasi berikutnya yang efisien tinggi dan memperdalam pemahaman tentang dinamika pembawa dalam optoelektronika nitrida III.

Singkatan

APSYS

Model Fisik Lanjutan untuk Perangkat Semikonduktor

DUV

LED Cahaya Ultraviolet Dalam

EL

Elektroluminesensi

EQE

Efisiensi Kuantum Eksternal

HVPE

Epitaksi Fasa Uap Hidrida

ICP

Plasma Terkait Induktif

IQE

Efisiensi Kuantum Internal

LEE

Efisiensi Ekstraksi Cahaya

MOCVD

Deposi Kimia Fasa Uap Organo-logam

MQWs

Kuis Kuantum Ganda

p-EBL

Lapisan Pemblokir Elektron Tipe p

TDD

Kepadatan Dislokasi Benang