Pada p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN Current Spreading Layer untuk Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes berbasis AlGaN

Hasil dan Diskusi

Bukti Efektivitas Persimpangan PNP-AlGaN dalam Menyebarkan Arus untuk LED DUV

Untuk menunjukkan efektivitas struktur PNP-AlGaN dalam menyebarkan arus untuk LED DUV, LED DUV referensi (yaitu, LED A) tanpa struktur PNP-AlGaN dan LED DUV dengan struktur PNP-AlGaN (yaitu, LED B) adalah dipelajari. Perhatikan informasi arsitektur untuk LED DUV telah diberikan di bagian Metode Penelitian dan Model Fisika kecuali konfigurasi PNP-AlGaN untuk LED B. LED B memiliki dua loop PNP-AlGaN, yaitu struktur PNPNP-AlGaN. Setiap persimpangan PNP-AlGaN terdiri dari p-Al_0,40 Ga_0,60 T/n-Al_0,40 Ga_0,60 T/p-Al_0,40 Ga_0,60 Struktur N, dimana konsentrasi doping Si dalam n-Al setebal 20 nm_0,40 Ga_0,60 Lapisan penyisipan N adalah 5.3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . Kami menghitung dan menampilkan diagram pita energi untuk LED B pada rapat arus 170 A/cm ² pada Gambar. 3a. Kita dapat melihat bahwa, jika dibandingkan dengan LED A (pita energi tidak ditampilkan di sini), lubang akan menghadapi dua penghalang sebelum disuntikkan ke MQW. Penghalang di pita valensi di sini dapat secara efektif menyebarkan arus dan lebih baik menghomogenkan lubang secara lateral. Untuk lebih lanjut membahas poin kami dan untuk tujuan demonstrasi, kami menunjukkan profil konsentrasi lubang lateral di sumur kuantum yang paling dekat dengan p-EBL [yaitu, sumur kuantum terakhir (LQW)] pada Gambar. 3b, yang menemukan bahwa Distribusi lubang di LED B memang menunjukkan profil yang lebih seragam di LQW. Pengamatan pada Gambar 2b sangat sesuai dengan diagram pita energi pada Gambar 3a dan analisis kami sebelumnya, sehingga struktur PNP-AlGaN terbukti berguna dalam meningkatkan efek penyebaran saat ini.

a Diagram pita energi untuk LED B pada rapat arus 170 A/cm ² . E _c , E _v , E _biaya , dan E _fh menunjukkan pita konduksi, pita valensi, dan tingkat kuasi-Fermi untuk elektron dan hole, b distribusi lubang lateral di sumur kuantum terakhir untuk LED A dan B pada rapat arus 170 A/cm ² , masing-masing

Selanjutnya, kami menunjukkan profil untuk konsentrasi lubang dan laju rekombinasi radiasi di wilayah MQW untuk LED A dan B masing-masing pada Gambar 4a, b. Perhatikan bahwa untuk memantau efek penyebaran saat ini, data pada Gambar 4a, b dikumpulkan pada posisi 230 μm terpisah dari tepi mesa kiri. Ditemukan bahwa penyebaran arus yang ditingkatkan untuk LED B juga memungkinkan injeksi lubang yang dipromosikan ke dalam MQW. Peningkatan konsentrasi lubang di MQW menghasilkan tingkat rekombinasi radiasi yang ditingkatkan untuk LED B menurut Gambar. 4b.

a Profil konsentrasi lubang dan b tingkat rekombinasi radiasi di wilayah MQW untuk LED A dan B pada kerapatan arus 170 A/cm ² , masing-masing

Gambar 5a kemudian menunjukkan EQE dan kepadatan daya optik dalam hal tingkat kepadatan arus injeksi untuk LED A dan B. Tingkat EQE untuk LED A dan B masing-masing adalah 3,38% dan 4,13%, menunjukkan peningkatan kinerja sebesar 22,2% pada kerapatan arus 170 A/cm ² . Peningkatan yang diamati ini dikaitkan dengan efek penyebaran arus yang lebih baik dan injeksi lubang yang ditingkatkan ke wilayah MQW untuk LED B. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, adopsi struktur PNP-AlGaN dapat menyebabkan penghalang energi di pita valensi, yang dapat mempengaruhi tegangan maju. Spekulasi ini terbukti ketika mengacu pada Gambar 5b yang menunjukkan sedikit peningkatan tegangan maju untuk LED B. Meskipun tegangan maju lebih tinggi untuk LED B, efisiensi colokan dinding untuk LED masih lebih besar daripada LED A menurut Gambar 5c , sehingga angkanya adalah 3,56% dan 4,27% untuk LED A dan B pada tingkat kepadatan arus 170 A/cm ² , masing-masing. Jika kita membandingkan lebih lanjut Gambar 5a, c, kita dapat menemukan bahwa WPE memiliki penurunan yang lebih jelas untuk LED B, dan ini dianggap berasal dari penurunan tegangan tambahan pada sambungan PNP-AlGaN. Oleh karena itu, pada dasarnya penting untuk melakukan studi yang lebih komprehensif yang mengungkapkan sensitivitas EQE, tegangan maju, dan WPE terhadap desain PNP-AlGaN yang berbeda.

a Densitas daya keluaran optik dan EQE sebagai fungsi dari arus injeksi, b karakteristik tegangan arus, c WPE dalam hal arus injeksi untuk LED A dan B, masing-masing

Dampak Ketebalan Lapisan n-AlGaN pada Kinerja Perangkat

Menurut Persamaan. (1), kita dapat menyimpulkan bahwa peningkatan aliran arus horizontal dapat diperoleh dengan meningkatkan nilai N·ρ _PNP . Ketinggian penghalang di persimpangan PNP-AlGaN meningkat ketika n-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan N menjadi tebal sehingga ρ . yang lebih besar _PNP dapat diperoleh, yang bermanfaat untuk meningkatkan efek penyebaran arus. Namun, setelah n-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan N terlalu tebal, lebih banyak lubang di p-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan N mungkin habis, yang dapat mengorbankan konduktivitas listrik. Oleh karena itu, untuk lebih menggambarkan hubungan antara ketebalan n-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan N dan kinerja untuk LED DUV, perlu untuk menyelidiki dampak n-Al_0,40 Ga_0,60 Ketebalan lapisan N untuk sambungan PNP-AlGaN pada penyebaran arus, lubang injeksi, EQE, tegangan maju, dan WPE. Untuk tujuan itu, kami memvariasikan nilai n-Al_0,40 Ga_0,60 Ketebalan lapisan N antara 6, 13, 20, 27, dan 34 nm, dan perangkat tersebut masing-masing disebut LED T1, T2, T3, T4, dan T5. Tabel 1 merangkum tinggi penghalang pita valensi untuk setiap persimpangan PNP-AlGaN, yang menunjukkan bahwa tinggi penghalang meningkat seiring dengan n-Al_0,40 Ga_0,60 Ketebalan lapisan N meningkat, membuktikan bahwa peningkatan n-Al_0,40 Ga_0,60 Ketebalan lapisan N memungkinkan N·ρ . yang besar _PNP , sehingga meningkatkan arus horizontal J ₂ . Gambar 6a kemudian menunjukkan profil konsentrasi lubang lateral di sumur kuantum terakhir untuk LED A tanpa lapisan penyebaran arus terstruktur PNP-AlGaN dan LED dengan berbagai n-Al_0,40 Ga_0,60 Ketebalan lapisan N pada kerapatan arus 170 A/cm ² . Terlihat jelas bahwa lubang menjadi lebih merata di kuantum terakhir dengan ketebalan untuk n-Al_0,40 Ga_0,60 N lapisan penyisipan meningkat.

a Distribusi lubang lateral di sumur kuantum terakhir, b profil konsentrasi lubang dan c profil laju rekombinasi radiasi di wilayah MQW untuk LED A, T1, T2, T3, T4, dan T5 pada kerapatan arus 170 A/cm ² . Kurva yang diplot untuk panel b dan c sengaja digeser sebesar 2 nm untuk resolusi yang lebih baik

Kemudian, kami menampilkan profil konsentrasi lubang dan profil laju rekombinasi radiasi di wilayah MQW untuk semua perangkat yang dipelajari pada kerapatan arus 170 A/cm ² pada Gambar. 6b, c, masing-masing. Profil konsentrasi lubang dan laju radiasi dikumpulkan pada posisi 230 μm terpisah dari tepi mesa sebelah kiri. Untuk resolusi visual yang lebih baik, profil konsentrasi lubang dan laju rekombinasi radiasi untuk LED A, T1, T2, T3, T4, dan T5 secara spasial digeser sebesar 2 nm pada Gambar 6b, c, masing-masing. Jelas ditunjukkan bahwa LED A memiliki konsentrasi lubang terendah dan dengan demikian laju rekombinasi radiasi terendah di wilayah MQW. Konsentrasi lubang dan laju rekombinasi radiasi di wilayah MQW meningkat dengan meningkatnya ketebalan n-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan N.

Hasil pengamatan yang ditunjukkan pada Gambar. 6c sangat sesuai dengan EQE, dan kerapatan daya optik yang disajikan pada Gambar. 7a, sehingga peningkatan ketebalan n-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan N pada sambungan PNP-AlGaN dapat meningkatkan EQE dan densitas daya optik. Namun, tinggi penghalang pita valensi untuk lubang di setiap persimpangan PNP-AlGaN menjadi besar setelah n-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan N menebal menurut Tabel 1, yang secara bersamaan meningkatkan tegangan maju untuk LED DUV yang diusulkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7b. Oleh karena itu, dampak dari n-Al_0,40 Ga_0,60 Ketebalan lapisan N untuk penyebaran arus PNP-AlGaN pada kinerja LED harus dievaluasi dengan menunjukkan hubungan antara WPE dan rapat arus injeksi (lihat Gambar 8). Kita dapat melihat bahwa WPE tidak meningkat secara monoton dengan meningkatnya n-Al_0,40 Ga_0,60 Ketebalan lapisan N EQE dan WPE dalam hal n-Al_0,40 Ga_0,60 Ketebalan lapisan N diilustrasikan pada sisipan Gbr. 8. Untuk arsitektur perangkat yang diusulkan dalam pekerjaan ini, WPE mencapai nilai tertinggi saat n-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan penyisipan N setebal 20 nm dan berkurang sebagai n-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan penyisipan N menjadi lebih tebal. Kami menghubungkan fenomena ini dengan peningkatan resistensi vertikal ketika n-Al_0,40 Ga_0,60 Ketebalan lapisan N semakin tebal, dan hal ini memakan daya listrik yang lebih besar. Oleh karena itu, ketebalan lapisan penyisipan n-AlGaN untuk sambungan PNP-AlGaN harus dioptimalkan secara hati-hati. Pada bagian ini, kami mengatur komposisi AlN 40%, yaitu n-Al_0,40 Ga_0,60 N untuk tujuan demonstrasi, dan kami yakin ketebalan yang dioptimalkan untuk lapisan penyisipan n-AlGaN akan menjadi lebih kecil jika komposisi AlN ditingkatkan.

a Kepadatan daya keluaran optik, b karakteristik tegangan arus untuk LED A, T1, T2, T3, T4, dan T5. Gambar sisipan menunjukkan kurva tegangan arus yang diperbesar

WPE sebagai fungsi arus injeksi untuk LED A, T1, T2, T3, T4, dan T5. Gambar sisipan menunjukkan WPE dan EQE untuk LED yang dipelajari dengan berbagai ketebalan n-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan N untuk sambungan PNP-AlGaN pada rapat arus 170 A/cm ²

Dampak Konsentrasi Doping Lapisan n-AlGaN pada Kinerja Perangkat

Selain ketebalan lapisan n-AlGaN, konsentrasi doping untuk lapisan n-AlGaN juga dapat mengubah tinggi penghalang pita valensi untuk lubang, sehingga mempengaruhi N·ρ _PNP . Untuk mempelajari secara lebih akurat dampak konsentrasi doping untuk lapisan n-AlGaN pada efek penyebaran arus dan kinerja optik untuk LED DUV dengan sambungan PNP-AlGaN, kami menetapkan konsentrasi doping 1,3 × 10 ¹⁷ , 5.3 × 10 ¹⁷ , 9.3 × 10 ¹⁷ , 1,33 × 10 ¹⁸ , dan 1,73 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ dari lapisan n-AlGaN untuk LED D1, D2, D3, D4, dan D5, masing-masing. Ketebalan lapisan n-AlGaN diatur ke 20 nm, dan dua sambungan PNP-AlGaN diadopsi. Komposisi AlN adalah 40%, yaitu n-Al_0,40 Ga_0,60 N.

Tabel 2 menunjukkan bahwa tinggi penghalang pita valensi untuk lubang meningkat ketika konsentrasi doping Si untuk n-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan N dari sambungan PNP-AlGaN menjadi tinggi. Peningkatan tinggi penghalang pita valensi menunjukkan N·ρ . besar _PNP , yang secara bersamaan menghasilkan arus horizontal tinggi J ₂ . Menurut Persamaan. (1), peningkatan penyebaran arus disertai dengan profil konsentrasi lubang lateral yang lebih seragam, dan oleh karena itu, kami menunjukkan, pada Gambar. 9a, bahwa distribusi lubang lateral di sumur kuantum terakhir berubah menjadi lebih homogen setelah PNP-AlGaN junction didoping untuk LED DUV bila dibandingkan dengan LED A. Selanjutnya, lubang lateral menjadi lebih merata setelah konsentrasi doping Si untuk n-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan N dari sambungan PNP-AlGaN meningkat.

a Distribusi lubang lateral di sumur kuantum terakhir, b profil konsentrasi lubang, dan c profil laju rekombinasi radiasi di wilayah MQW atau LED A, D1, D2, D3, D4, dan D5 pada kerapatan arus 170 A/cm ² . Kurva yang diplot untuk panel b dan c sengaja digeser sebesar 2 nm untuk resolusi yang lebih baik

Kemudian, kami menampilkan profil konsentrasi lubang dan profil laju rekombinasi radiasi di wilayah MQW untuk semua perangkat yang dipelajari pada kerapatan arus 170 A/cm ² pada Gambar. 9b, c, masing-masing, yang dikumpulkan pada posisi 230 μm terpisah dari tepi mesa kiri. Jelas ditunjukkan bahwa LED A memiliki konsentrasi lubang terendah dan tingkat rekombinasi radiasi paling buruk di wilayah MQW. Konsentrasi hole dan laju rekombinasi radiasi di wilayah MQW meningkat dengan meningkatnya konsentrasi doping n-Al_0,40 Ga_0,60 N lapisan untuk LED dengan sambungan PNP-AlGaN. Tingkat konsentrasi lubang yang ditingkatkan di MQW untuk LED D1, D2, D2, D3, D4, dan D5 dianggap berasal dari efek penyebaran arus yang lebih baik, berkat sambungan PNP-AlGaN.

Kami kemudian menghitung lebih lanjut dan menyajikan EQE dan kerapatan daya optik dalam hal kerapatan arus injeksi untuk perangkat yang diselidiki pada Gambar 10a. EQE yang diamati konsisten dengan hasil pada Gambar 9b, c, sehingga EQE dapat ditingkatkan setelah sambungan PNP-AlGaN digunakan. Lebih dari itu, sebagai konsentrasi doping Si di n-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan N untuk sambungan PNP-AlGaN meningkat, EQE dapat dipromosikan lebih lanjut, berkat penyebaran arus yang lebih baik. Gambar 10b membandingkan tegangan operasi maju untuk perangkat yang diselidiki. Terlihat bahwa tegangan operasi maju meningkat dengan meningkatnya konsentrasi doping di n-Al_0,40 Ga_0,60 lapisan N Perhatikan bahwa karena konsentrasi doping Si adalah 1,33 × 10 ¹⁸ dan 1,73 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , tegangan penyalaan menunjukkan peningkatan yang signifikan, yang menunjukkan bahwa sambungan built-in PNP-AlGaN berperilaku dioda parasit ketika doping Si di n-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan N meningkat ke tingkat yang sangat tinggi. Untuk menilai kinerja LED DUV dengan lebih akurat dengan sambungan PNP-AlGaN yang berbeda, Gambar 11 menunjukkan WPE sebagai fungsi rapat arus injeksi untuk LED A, D1, D2, D3, D4, dan D5. Jelas, kita dapat melihat bahwa WPE adalah yang terendah untuk LED D5, karena konsumsi tegangan maju terbesar. Inset untuk Gbr. 11 juga menunjukkan bahwa WPE lebih sensitif terhadap konsentrasi doping Si dari n-Al_0,40 Ga_0,60 N lapisan dari EQE. Perlu disimpulkan bahwa konsentrasi doping Si yang tinggi dari n-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan N memang dapat meningkatkan lapisan penyebaran saat ini dan meningkatkan laju pembangkitan foton. Namun demikian, penurunan tegangan maju tambahan pada sambungan PNP-AlGaN mengkonsumsi lebih banyak daya listrik, sehingga membatasi WPE. Temuan pada bagian ini juga menggambarkan bahwa konsentrasi doping Si pada n-Al_x Ga_1-x Lapisan N harus direduksi dengan baik jika komposisi AlN meningkat dan/atau ketebalan n-Al_x Ga_1-x Lapisan N untuk sambungan PNP-AlGaN, karena dengan melakukannya, seseorang dapat memperoleh EQE yang ditingkatkan dan WPE yang layak.

a Densitas daya keluaran optik dan EQE sebagai fungsi dari arus injeksi, b karakteristik tegangan arus untuk LED A, D1, D2, D3, D4, dan D5. Gambar sisipan menunjukkan kurva tegangan arus yang diperbesar

WPE sebagai fungsi arus injeksi untuk LED A, D1, D2, D3, D4, dan D5. Gambar sisipan menunjukkan WPE dan EQE untuk LED yang dipelajari dengan berbagai konsentrasi doping n-Al_0,40 Ga_0,60 Lapisan N dengan kerapatan arus 170 A/cm ²

Dampak Nomor Sambungan PNP-AlGaN pada Kinerja Perangkat

Pada bagian ini, dampak dari jumlah sambungan PNP-AlGaN pada kinerja listrik dan optik untuk LED DUV dipelajari. Untuk tujuan demonstrasi, kami memperbaiki konsentrasi doping dan ketebalan lapisan n-AlGaN menjadi 5,3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ dan 20 nm, masing-masing. Komposisi AlN dipilih menjadi 0,40 seperti n-Al_0,40 Ga_0,60 N. Kami mengadopsi loop yang berbeda untuk persimpangan PNP-AlGaN, yaitu, nomor loop diatur ke 1, 2, 3, dan 4 untuk LED N1, N2, N3, dan N4, masing-masing. Kami pertama menghitung dan menyajikan tinggi penghalang pita valensi untuk setiap persimpangan PNP-AlGaN pada Tabel 3. Dapat dibaca dengan jelas bahwa peningkatan nomor persimpangan PNP-AlGaN membuat keseluruhan N·ρ _PNP tinggi. Kami kemudian menghitung dan mendemonstrasikan distribusi lateral untuk lubang di sumur kuantum terakhir untuk LED A, N1, N2, N3, dan N4 pada kerapatan arus 170 A/cm ² (lihat Gbr. 12a). Ini menunjukkan bahwa distribusi lubang di sumur kuantum terakhir menjadi lebih seragam karena lebih banyak sambungan PNP-AlGaN digabungkan. Hasil pada Gambar. 12a lebih lanjut mendukung prediksi yang dibuat oleh Persamaan. (1).

a Distribusi lubang lateral di sumur kuantum terakhir, b profil konsentrasi lubang, dan c profil laju rekombinasi radiasi di wilayah MQW untuk LED A, N1, N2, N3, dan N4 pada kerapatan arus 170 A/cm ² . Kurva yang diplot untuk panel b dan c sengaja digeser sebesar 2 nm untuk resolusi yang lebih baik

Then, we show the hole concentration and radiative recombination rate profiles in the MQW region for LEDs A, N1, N2, N3, and N4 at the current density of 170 A/cm ² in Fig. 12b, c, respectively. The hole and radiative recombination rate profiles are probed at the position of 230 μm apart from the left mesa edge. It is indicated that the hole concentration and radiative recombination rate increase if the number of the PNP-AlGaN junction is more. It is worth mentioning here that we do not increase the value of N beyond 4, since when the N is further increased, the thickness of the remaining p-Al_0.40 Ga_0.60 N layer becomes so thin that the holes may be depleted by the ionized Si dopants and the hole supply can be insufficient.

Thanks to the improved current spreading effect, the enhanced hole concentration in the MQW region, LEDs N1, N2, N3, and N4 consequently promote the EQE and optical power density when compared with LED A (see Fig. 13a). Figure 13b demonstrates that the forward operating voltage for the suggested DUV LEDs also increases if more PNP-AlGaN junctions are incorporated. Fortunately, the increase of the forward voltage for LEDs N1, N2, N3, and N4 does not reduce the WPE according to Fig. 14. Further investigations into the inset of Fig. 14 can illustrate that both the EQE and WPE tend to approach a saturation level as the number of the PNP-AlGaN junction increases. Therefore, we believe that, as has also been pointed out previously, further increase of the number for the PNP-AlGaN junction may deplete the holes and correspondingly degrade the hole supply capability, hence making little contribution in enhancing the EQE and the WPE for the proposed device architectures in this work.

a Optical output power density and EQE as a function of the injection current, b current-voltage characteristic for LEDs A, N1, N2, N3, and N4. Inset figure shows the zoom-in current-voltage curves

WPE as a function of the injection current for LEDs A, N1, N2, N3, and N4. Inset figure shows the WPE and EQE for LEDs with various number of PNP-AlGaN junction at the current density of 170 A/cm ²

Impact of the AlN Composition for n-AlGaN Layer on the Device Performance

Lastly, we modify the ρ _PNP by varying the AlN composition of the n-AlGaN layer for the PNP-AlGaN junction. The values for the AlN composition of the n-AlGaN layer are set to 0.40, 0.43, 0.46, 0.49, and 0.51 for LEDs C1, C2, C3, C4, and C5, respectively. The thickness and the Si doping concentration of the n-AlGaN layer are set to 20 nm and 5.3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , masing-masing. We adopt two PNP-AlGaN junctions for LEDs C1, C2, C3, C4, and C5. The AlN composition for the rest p-AlGaN layers is fixed to 0.40. Table 4 demonstrates the valence band barrier height for the PNP-AlGaN junction with different AlN compositions in the n-AlGaN insertion layer. It is easily understandable that the increased AlN composition in the n-AlGaN layer gives rise to the larger valence band barrier height for holes. Figure 15a exhibits the lateral distributions for holes in the last quantum well for LEDs A, C1, C2, C3, C4, and C5 at the current density of 170 A/cm ² . The current spreading effect is significantly improved as the AlN composition of the n-AlGaN layer increased up to 0.43. It seems that the holes cannot be further soundly spreaded when the AlN composition of the n-AlGaN layer exceeds 0.43 for our structures, because a too much high AlN composition in the n-AlGaN may block the hole injection.

a Lateral hole distribution in the last quantum well, b hole concentration profiles, and c radiative recombination rate profiles in the MQW region for LEDs A, C1, C2, C3, C4, and C5 at the current density of 170 A/cm ² . The plotted curves for panels b dan c are purposely shifted by 2 nm for better resolution

The hole concentration and radiative recombination rate profiles in the MQW region for LEDs A, C1, C2, C3, C4, and C5 at the current density of 170 A/cm ² are presented in Fig. 15b, c, respectively. The data are also collected at the position of 230 μm apart from the left mesa edge. The conclusions here are similar to that for Fig. 6b, Fig. 9b and Fig. 12b, i.e., the adoption of the PNP-AlGaN current spreading layer increases the hole injection, and the hole concentration in the MQW region becomes even more improved once the AlN composition in the n-AlGaN layer increases. We then further calculate and present the EQE and the optical power density in terms of the injection current for the investigated devices in Fig. 16a. Clearly, we can see that the EQE can be improved once the PNP-AlGaN junction is employed. In addition, as the AlN composition in the n-AlGaN layer for the PNP-AlGaN junction increases, the EQE can be further promoted, thanks to the better current spreading, which homogenizes the hole concentration in each quantum well plane as has been shown previously.

a Optical output power density and EQE as a function of the injection current and b current-voltage characteristics for LEDs A, C1, C2, C3, C4, and C5

Figure 16b investigates the current-voltage characteristics for LEDs A, C1, C2, C3, C4, and C5. The device exhibits a slight increase in the forward operating voltage for LED C1 with the PNP-Al_0.40 Ga_0.60 N junction when compared to the LED A. Meanwhile, the device consumes more forward voltage for LEDs C4 and C5. The observation here is consistent with that in Fig. 7b, Fig. 10b and Fig. 13b, such that the adoption of the PNP-AlGaN junction causes the additional valence band barrier height for holes, which, as a result, increases the forward voltage and even the turn-on voltage (e.g., LEDs C4 and C5). However, it is worth mentioning that the forward operating voltage for LEDs C2 and C3 decreases when compared to LED A. The underlying mechanism is not clear at this moment. However, we tentatively attribute the reduced forward voltage for LEDs C2 and C3 to the hole acceleration effect [35].

Figure 17 shows the relationship between the WPE and the injection current density for the tested LEDs. We can get that the WPE can be enhanced for all the proposed LEDs especially when the injection current density is beyond 89 A/cm ² . Insightful study into LED C5 shows that the WPE for LED C5 is lower than that for LED A when the current density is smaller than 89 A/cm ² . Nevertheless, the WPE for LED C5 overwhelms that for LED A when the injection current density become higher (i.e.,> 89 A/cm ² ). As is well known, the current easily gets crowded when the LED device is biased at a high current level. The WPE for LED C5 reflects that the PNP-Al_0.51 Ga_0.49 N junction is indeed effective in improving the current spreading effect. However, considering the additional voltage consumption in the PNP-AlGaN junction, one shall be very careful when setting the AlN composition for the n-AlGaN layer so that the WPE can be maximized according to the inset in Fig. 17.

WPE as a function of the injection current for LEDs A, C1, C2, C3, C4, and C5. Inset figure shows the WPE and the EQE for the studied LEDs with various AlN compositions for the n-AlGaN layer at the current density of 170 A/cm ²