Peningkatan Penyebaran Arus pada LED UV Dalam Berbasis AlGaN melalui Struktur PNP-AlGaN
Abstrak
Kami menyelidiki dioda emissi cahaya UV dalam (DUV LED) berbasis AlGaN yang menyertakan lapisan penyebaran arus p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN (PNP-AlGaN). Struktur PNP-AlGaN memperkenalkan barrier valensi-band yang mengubah aliran arus lateral, sehingga meningkatkan tegangan maju, efisiensi kuantum eksternal (EQE), daya optik, dan efisiensi daya-plug (WPE) dibandingkan DUV LED konvensional tanpa fitur ini.
Pendahuluan
Sejak demonstrasi pertama pada 2003, DUV LED berbasis AlGaN telah muncul sebagai komponen kunci untuk sterilisasi air, pemurnian udara, dan aplikasi UV lainnya [1–7]. Namun, ketika panjang gelombang emissi jatuh di bawah 300 nm, EQE biasanya tetap di bawah 10 % [8], terutama karena efisiensi kuantum internal (IQE) yang terbatas yang diatur oleh injeksi penerang dan rekombinasi yang diutamakan oleh dislokasi [8]. Banyak perangkat DUV difabriknasi pada safir dengan arsitektur flip-chip untuk meningkatkan ekstraksi cahaya, tetapi ini memerlukan kedua elektroda n dan p pada sisi yang sama, yang menginduksi kepadatan arus lateral yang tidak merata dan efek kerumunan arus yang terkenal [9]. Kerumunan arus dapat menghasilkan pemanasan Joule lokal dan keluaran cahaya yang tidak merata [10–12], yang mempersingkat umur perangkat. Efisiensi dop Mg yang rendah pada p-AlGaN kaya Al lebih menghambat konduktivitas listrik [13], menekankan kebutuhan akan penyebaran arus yang ditingkatkan.
Meskipun berbagai strategi—implantasi ion selektif, lapisan pemblokir arus, rekayasa rongga nitrogen, dan kontak ohmik yang dioptimalkan—berhasil mengurangi kerumunan arus pada LED biru berbasis GaN [15–21], solusi analog untuk DUV LED masih jarang. Di sini kami mengusulkan lapisan penyebaran arus p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN (PNP-AlGaN) yang menghasilkan barrier valensi-band, memodulasi resistivitas lapisan injeksi lubang p-tipe dan mengarahkan aliran arus lateral. Dengan mengoptimalkan desain PNP-AlGaN, kami menunjukkan peningkatan signifikan dalam EQE, WPE, dan penurunan tegangan maju. Kami juga melakukan studi parametrik komprehensif tentang dampak jumlah loop PNP, dop Si, ketebalan lapisan, dan komposisi AlN pada performa perangkat.
Metode Penelitian dan Model Fisika
Semua perangkat yang disimulasikan terdiri dari dasar n-Al0.60Ga0.40N tebal 4 µm (Si 5 × 1018 cm−3), diikuti oleh lima periode 3-nm Al0.45Ga0.55N/12-nm Al0.56Ga0.44N sumbr bruno kuantum ganda (MQW). MQW ditutup dengan lapisan pemblokir elektron p-Al0.60Ga0.40N tebal 18 nm, lapisan p-Al0.40Ga0.60N tebal 198 nm, dan tutup p-GaN tebal 50 nm. Konsentrasi lubang diatur ke 3 × 1017 cm−3 di seluruhnya. Untuk perangkat PNP-AlGaN, lapisan p-Al0.40Ga0.60N konvensional digantikan oleh tumpukan p-Al0.40Ga0.60N/n-AlxGa1-xN/p-Al0.40Ga0.60N, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b. Sisipan n-AlxGa1-xN di-dop Si (5,3 × 1017 cm−3) dan tebal 20 nm, menghasilkan barrier valensi-band yang membentuk aliran arus lateral (Gambar 1c).
a Skematika perangkat yang ditinjau (LED referensi A dan PNPNP-AlGaN LED), b tumpukan PNP-AlGaN, c diagram band valensi yang menggambarkan tinggi barrier φ1, φ2, dan φn.
Untuk mengilustrasikan mekanisme, kami memodelkan DUV LED pada safir sebagai rangkaian ekivalen (Gambar 2a). Dengan lapisan penyebaran arus tipis (≈200 nm) dan lapisan injeksi n-AlGaN tebal (≈4 µm), kepadatan arus lateral menurun dari elektroda p keluar, menghasilkan kerumunan arus. Memperkenalkan PNP-AlGaN membagi total arus menjadi komponen vertikal (J1) dan komponen horizontal (J2) seperti yang digambarkan pada Gambar 2b. Hubungannya adalah
di mana ρp adalah resistivitas lapisan p, ρCL resistivitas lapisan penyebaran, ρPNP resistivitas antarmuka setiap simpul PNP, dan N adalah jumlah simpul. Ekspresi ini menunjukkan bahwa pengurangan ρCL atau peningkatan ρPNP (melalui n-AlGaN yang lebih tebal atau lebih banyak dop) meningkatkan arus horizontal J2, sehingga meningkatkan penyebaran.
a Rangkaian ekivalen dengan kerumunan arus (J1 > J2 > …), b rangkaian sederhana untuk LED dengan PNP-AlGaN, menunjukkan J1 dan J2.
Fisika perangkat disimulasikan dengan APSYS, dengan rasio offset band konduksi/valensi 50:50 untuk heterojunti AlGaN/AlGaN, muatan polarisasi 40 %, koefisien Auger 1,0 × 10−30 cm6/s, umur SRH 10 ns, dan efisiensi ekstraksi cahaya 8 % untuk DUV LED [33].
Hasil dan Diskusi
Efektivitas Simpulan PNP-AlGaN
Membandingkan LED referensi A (tanpa PNP-AlGaN) dengan LED B (dua loop PNP-AlGaN), kami mengamati bahwa lubang menemui dua barrier valensi-band sebelum mencapai MQW, yang mempromosikan homogenisasi lateral (Gambar 3a). Distribusi lubang lateral dalam kuantum terakhir (LQW) mengonfirmasi profil yang lebih merata untuk LED B (Gambar 3b), selaras dengan analisis band energi.
a Diagram band energi untuk LED B pada 170 A/cm2; b distribusi lubang lateral dalam LQW untuk LED A dan B.
Konsentrasi lubang dan profil rekombinasi radiatif pada 230 µm dari tepi meja menunjukkan bahwa LED B mendapatkan injeksi lubang yang lebih tinggi ke dalam MQW, yang menghasilkan peningkatan EQE sebesar 22,2 % (3,38 % → 4,13 %) dan kenaikan ringan pada tegangan maju (Gambar 5b). Meskipun demikian, efisiensi daya-plug (WPE) meningkat dari 3,56 % menjadi 4,27 % (Gambar 5c). Penurunan tegangan yang lebih jelas di seluruh simpulan PNP-AlGaN menjelaskan penurunan WPE yang diamati pada kepadatan arus tinggi (Gambar 8).
a Kepadatan daya keluaran dan EQE vs. arus; b karakteristik I-V; c WPE vs. arus untuk LED A dan B.
Pengoptimalan Ketebalan n-AlGaN
Dengan memvariasi sisipan n-AlGaN 20 nm dari 6 hingga 34 nm, kami secara sistematis meningkatkan tinggi barrier valensi-band (Tabel 1). Barrier yang ditingkatkan meningkatkan resistivitas antarmuka (ρPNP), mendorong lebih banyak arus lateral dan mendistribusikan lubang secara merata di seluruh LQW (Gambar 6a). Secara sejalan, konsentrasi lubang dan rekombinasi radiatif dalam MQW meningkat, meningkatkan EQE dan daya optik (Gambar 7a). Namun, tegangan maju naik dengan tinggi barrier, dan WPE mencapai puncak pada sisipan 20 nm sebelum menurun pada lapisan yang lebih tebal (Gambar 8). Hasil ini menyoroti kompromi antara manfaat penyebaran dan penurunan tegangan tambahan, yang memandu ketebalan sisipan optimal.
a Distribusi lubang lateral dalam LQW; b konsentrasi lubang dan c rekombinasi radiatif dalam MQW untuk LED A, T1–T5.
a Kepadatan daya optik; b karakteristik I-V; inset: I-V diperbesar.
WPE vs. arus untuk LED A, T1–T5; inset: WPE dan EQE pada 170 A/cm2.
Pengaruh Doping n-AlGaN
Peningkatan dop Si dari 1,3 × 1017 hingga 1,73 × 1018 cm−3 pada lapisan n-AlGaN 20 nm meningkatkan barrier valensi-band (Tabel 2), yang meningkatkan arus horizontal dan meratakan distribusi lubang (Gambar 9a). Hasil konsentrasi lubang yang lebih tinggi dalam MQW mengarah pada rekombinasi radiatif dan EQE yang ditingkatkan (Gambar 10a). Namun, tegangan maju naik tajam di atas 1,33 × 1018 cm−3, yang menunjukkan efek diasa parasit, dan WPE menurun karena konsumsi tegangan mendominasi (Gambar 11).
a Distribusi lubang lateral; b konsentrasi lubang dan c rekombinasi radiatif dalam MQW.
a Kepadatan daya keluaran dan EQE vs. arus; b karakteristik I-V; inset: I-V diperbesar.
WPE vs. arus untuk LED A, D1–D5; inset: WPE dan EQE pada 170 A/cm2.
Efek Jumlah Simpulan PNP-AlGaN
Dengan n-AlGaN 20 nm, 5,3 × 1017 cm−3, dan AlN = 0,40 yang tetap, kami membandingkan perangkat dengan 1 hingga 4 loop PNP-AlGaN (LED N1–N4). Jumlah loop yang lebih banyak meningkatkan barrier kumulatif (Tabel 3), memperhalus distribusi lubang lateral lebih lanjut (Gambar 12a) dan meningkatkan konsentrasi lubang serta rekombinasi radiatif (Gambar 12b,c). EQE dan daya keluaran meningkat dengan jumlah loop, sementara tegangan maju naik sedikit (Gambar 13b). WPE tetap stabil, dan EQE serta WPE mencapai saturasi di atas empat loop, mengindikasikan pengembalian menurun ketika lapisan p menjadi terlalu tipis untuk menyediakan lubang yang cukup.
a Distribusi lubang lateral; b konsentrasi lubang; c rekombinasi radiatif untuk LED A, N1–N4.
a Daya keluaran dan EQE vs. arus; b karakteristik I-V; inset: I-V diperbesar.
WPE vs. arus untuk LED A, N1–N4; inset: WPE dan EQE pada 170 A/cm2.
Komposisi AlN pada n-AlGaN
Variasi fraksi AlN pada n-AlGaN 20 nm dari 0,40 hingga 0,51 meningkatkan barrier valensi-band (Tabel 4). Peningkatan moderat hingga 0,43 mengoptimalkan penyebaran arus tanpa memblokir injeksi lubang berlebihan. Pada komposisi yang lebih tinggi, barrier menjadi terlalu besar, mengurangi penetrasi lubang (Gambar 15a,b). EQE meningkat dengan komposisi hingga 0,43, sementara tegangan maju naik dengan fraksi AlN yang lebih tinggi (Gambar 16b). WPE mencapai maksimum pada 0,51 untuk arus di atas 89 A/cm2, mengilustrasikan kebutuhan untuk menyeimbangkan penyebaran terhadap hukuman tegangan (Gambar 17).
a Distribusi lubang lateral; b konsentrasi lubang; c rekombinasi radiatif untuk LED A dan C1–C5.
a Daya keluaran dan EQE vs. arus; b karakteristik I-V untuk LED A–C5.
WPE vs. arus untuk LED A, C1–C5; inset: WPE dan EQE pada 170 A/cm2.
Kesimpulan
Studi ini menunjukkan bahwa simpulan p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN (PNP-AlGaN) secara efektif meningkatkan penyebaran arus pada DUV LED berbasis AlGaN. Dengan menyesuaikan ketebalan sisipan, dop Si, komposisi AlN, dan jumlah simpul, resistensi vertikal ditingkatkan sementara arus horizontal ditingkatkan, yang mengarah pada EQE dan WPE yang lebih tinggi. Namun, tinggi barrier yang berlebihan atau terlalu banyak simpul meningkatkan tegangan maju dan dapat mengurangi WPE. Oleh karena itu, desain seimbang—mengoptimalkan keempat parameter—penting untuk memaksimalkan efisiensi perangkat.
