Pengaruh Lebar Sumur Kuantum pada Sifat Elektroluminesensi AlGaN Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes pada Suhu Berbeda
Abstrak
Pengaruh lebar kuantum-sumur (QW) pada sifat elektroluminesensi dari dioda pemancar cahaya ultraviolet dalam (LED DUV) AlGaN dipelajari pada suhu yang berbeda. Rasio efisiensi kuantum eksternal (EQE) maksimum LED dengan 3,5 nm QW hingga 2 nm meningkat dari 6,8 pada suhu kamar (RT) menjadi 8,2 pada 5 K. Namun, rasio untuk LED dengan 3,5 nm QW dengan rasio 5 nm QW menurun dari 4,8 pada RT menjadi 1,6 pada 5 K. Perubahan rasio EQE yang berbeda dikaitkan dengan penurunan rekombinasi non-radiatif dan peningkatan volume wilayah aktif. Dari analisis teoritis, LED dengan sumur 2 nm memiliki penghalang paling dangkal untuk limpahan elektron karena efek kuantum terbatas, sedangkan LED dengan sumur 5 nm menunjukkan tumpang tindih elektron dan lubang paling sedikit karena medan internal yang besar. Oleh karena itu, LED dengan QW 3,5 nm memiliki EQE maksimum tertinggi pada suhu yang sama. Saat suhu menurun, arus untuk EQE maksimum menurun untuk semua LED, yang diyakini karena peningkatan elektron yang meluap keluar dari QW dan penurunan konsentrasi lubang. Hasilnya sangat membantu untuk memahami kombinasi efek polarisasi dan luapan elektron pada LED DUV.
Latar Belakang
Dioda pemancar cahaya ultraviolet dalam (LED DUV) berbasis AlGaN dapat digunakan secara luas di bidang pencahayaan solid-state, kedokteran, biokimia, dan sebagainya. Oleh karena itu, semakin banyak upaya telah dicurahkan untuk meningkatkan kualitas kristal bahan [1,2,3,4], teknik doping tipe-p, dan optimalisasi struktur perangkat [5,6,7,8, 9]. Miyake dkk. menunjukkan bahwa kualitas kristal AlN dapat ditingkatkan secara signifikan dengan anil suhu tinggi [3]. Dengan meningkatkan suhu pertumbuhan, Sun et al. diperoleh film tebal AlN berkualitas tinggi pada safir [2]. Baru-baru ini, Jiang et al. mempelajari evolusi cacat pada pertumbuhan homoepitaksial AlN [1]. Hasil mereka berkontribusi pada pemahaman mekanisme homoepitaksi AlN dan memberikan teknik penting untuk meningkatkan kualitas kristal. Selain itu, banyak metode yang diusulkan untuk meningkatkan ekstraksi cahaya, seperti kristal fotonik dan struktur nano dan plasmon permukaan [10,11,12]. Dalam dekade terakhir, kemajuan besar telah diperoleh untuk jenis LED ini, yang ditinjau secara keseluruhan oleh Li et al. [13]. Namun demikian, kinerja perangkat ini masih jauh dari aplikasi praktis karena efisiensi kuantum eksternal yang rendah. Telah diketahui dengan baik bahwa nitrida golongan III memiliki struktur wurtzit, di mana medan spontan dan piezoelektrik yang besar akan menghasilkan diagram pita miring. Pita miring ini memiliki pengaruh besar pada perangkat berbasis nitrida grup-III, seperti LED, LD [14, 15], dan detektor UV [16, 17]. Hirayama dkk. melaporkan pengaruh lebar kuantum-sumur (QW) pada sifat fotoluminesensi (PL) dalam LED DV QW tunggal berbasis AlGaN [18]. Mereka menemukan bahwa LED dengan lebar QW 1,5–1,7 nm menunjukkan pendaran yang lebih tinggi dan intensitas PL menurun ketika lebar QW kurang dari 1,5 nm, yang dikaitkan dengan peningkatan rekombinasi nonradiatif pada antarmuka hetero. Dalam pekerjaan ini, kami membuat LED DUV dengan lebar sumur kuantum (QW) yang berbeda dan mempelajari pengaruh lebar dan suhu QW pada sifat electroluminescence (EL). Kami menemukan bahwa LED dengan lebar QW 3,5 nm menunjukkan efisiensi kuantum eksternal maksimum (EQE) tertinggi. Saat suhu menurun, arus untuk EQE maksimum menurun untuk semua LED, yang diyakini karena penurunan konsentrasi lubang dan peningkatan arus elektron yang meluap.
Metode
LED ditumbuhkan dengan deposisi uap kimia logam-organik pada substrat (0001)-safir menggunakan lapisan buffer AlN 1,0 m diikuti oleh Al yang tidak didoping setebal 0,5 m0,6 Ga0,4 N dan n-Al setebal 1,0μm0,6 Ga0,4 N template. Kerapatan dislokasi kerangka adalah sekitar 6 × 10
9
cm
− 2
diukur dengan mikroskop elektron transmisi. Kemudian Al0,49 Ga0,51 T/Al0,58 Ga0,42 N multiple QWs (MQWs) ditanam sebagai daerah aktif. Ketebalan penghalang adalah 5,0 nm. p-Al0,3 Ga0,7 N (25 nm)/Al0,6 Ga0,4 N (25 nm) digunakan sebagai lapisan tipe-p. Akhirnya, lapisan kontak p-GaN 200-nm diendapkan. Berdasarkan struktur di atas, tiga sampel, yang diberi nama LED A, B, dan C, ditumbuhkan dengan lebar QW masing-masing 2,0, 3,5, dan 5,0 nm.
500 μm × 500 μm geometri persegi p -n perangkat persimpangan dibuat menggunakan teknik litografi standar untuk menentukan fitur dan etsa ion reaktif untuk mengekspos n -Al0.6 Ga0,4 N Lapisan kontak ohmik. Kontak Ohmik tipe-n dari Ti/Al/Ni/Au (15/80/12/60 nm) diendapkan dengan penguapan berkas elektron dan dianil dengan sistem anil termal cepat pada 900 °C selama 30 detik dalam suasana nitrogen. Untuk p transparent transparan -kontak, lapisan Ni/Au (6/12 nm) diendapkan berkas elektron dan dianil dalam suasana udara pada 600 °C selama 3 menit. Perangkat selesai dengan pengendapan Ni/Au (5/60 nm) p kontak. Spektrum EL diukur dari 5 K ke suhu kamar (RT) menggunakan detektor perangkat charge-coupled berpendingin nitrogen cair yang disempurnakan dengan UV Symphony Jonin Yvon. Untuk menghindari pengaruh efek pemanasan termal [19], injeksi pulsa dengan pulsa arus 1 s pada 0,5% digunakan dalam pengukuran EL.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1a menunjukkan spektrum EL yang diukur pada suhu kamar (RT) untuk LED A, B, dan C di bawah arus searah 100 mA, di mana semua spektrum dinormalisasi ke emisi band-to-band. Puncak EL untuk LED A, B, dan C masing-masing sekitar 261, 265, dan 268 nm. Jelas, puncak EL menunjukkan pergeseran merah saat lebar QW meningkat. Selain itu, harus diperhatikan bahwa puncak parasit lemah sekitar 304 nm ada di spektrum EL di LED A, yang diklarifikasi terkait dengan luapan elektron [20]. Gambar 1b menunjukkan EQE relatif sebagai fungsi arus pulsa untuk semua LED. Semua nilai dinormalisasi ke EQE maksimum LED B. EQE maksimum LED B masing-masing sekitar 6,8 dan 4,8 kali lipat dari LED A dan C.
a Spektrum RT EL untuk LED A, B, dan C pada arus searah 100 mA. Semua spektrum dinormalisasi ke emisi band-to-band. b EQE relatif sebagai fungsi dari arus pulsa
Untuk memahami alasannya, APSYS digunakan untuk mensimulasikan tingkat energi dan fungsi gelombang pembawa. Gambar 2a–c menunjukkan struktur pita, tingkat keadaan dasar, dan fungsi gelombang pembawa dalam satu QW di bawah arus masing-masing 100 mA untuk LED A, B, dan C. Karena medan internal besar yang diinduksi oleh efek polarisasi dan bias maju yang diterapkan, struktur pita QW menunjukkan bentuk miring dan tumpang tindih spasial fungsi gelombang elektron dan lubang menjadi kurang seiring dengan meningkatnya lebar QW karena terbatasnya kuantum. Efek mencolok (QCSE). Kesenjangan energi keadaan dasar untuk LED A, B, dan C masing-masing adalah 4,733, 4,669, dan 4,637 eV, yang bertepatan dengan panjang gelombang emisi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Selain itu, harus diperhatikan bahwa kemampuan terbatas pembawa oleh QW menurun seiring dengan penurunan lebar QW. Efek kuantum terbatas menghasilkan peningkatan tingkat keadaan dasar saat lebar QW menurun. Nilai tinggi penghalang masing-masing adalah 0,030, 0,057, dan 0,069 eV untuk LED A, B, dan C. Oleh karena itu, EQE LED A lebih kecil daripada LED B karena arus elektron yang meluap, yang dapat dikonfirmasi oleh puncak parasit yang jelas ditunjukkan pada Gambar. 1a. Meskipun LED C memiliki penghalang tertinggi untuk limpahan elektron di semua perangkat, EQE-nya masih lebih rendah daripada LED B karena QCSE.
Struktur pita, tingkat keadaan dasar, dan gelombang pembawa berfungsi dalam satu QW di bawah arus 100 mA untuk (a ) LED A, (b ) LED B, dan (c ) LED C
EQE pada suhu rendah diukur untuk mengevaluasi kinerja perangkat. Gambar 3a menunjukkan EQE relatif yang diukur pada 5 K. Semua nilai dinormalisasi ke EQE maksimum LED B. Jelas, arus injeksi untuk EQE maksimum menurun secara signifikan dibandingkan dengan yang ada di RT untuk semua perangkat. EQE maksimum LED B masing-masing sekitar 8,2 dan 1,6 kali lipat dari LED A dan C. EQE yang bergantung pada arus diukur pada suhu yang berbeda. Gambar 3b menunjukkan EQE relatif yang bergantung arus pada suhu berbeda untuk LED B. Semua nilai dinormalisasi ke EQE maksimum pada 10 K. Dapat dilihat bahwa arus untuk EQE maksimum menurun seiring penurunan suhu. Fenomena yang sama ditemukan untuk ketiga LED. Telah diketahui bahwa dalam bahan curah konsentrasi lubang akan menurun dengan cepat dengan penurunan suhu karena energi ionisasi yang tinggi dari Mg dalam p-AlGaN. Dalam struktur kami, ditunjukkan bahwa konsentrasi lubang juga menurun seiring dengan penurunan suhu [21]. Kami juga mensimulasikan distribusi lubang pada suhu yang berbeda. Gambar 4 menunjukkan konsentrasi lubang di wilayah aktif pada 100 dan 300 K untuk LED B di bawah injeksi 100 mA. Jelas, konsentrasi lubang menurun karena suhu menurun. Selain itu, arus elektron yang keluar dari QW dapat dinyatakan sebagai [22].
a EQE relatif pada 5 K dan (b ) EQE relatif yang bergantung pada arus pada suhu berbeda untuk LED B
Konsentrasi lubang di wilayah aktif pada 100 dan 300 K untuk LED B di bawah injeksi 100 mA
dimana D adalah konstanta, E adalah perbedaan tingkat Fermi dan tepi pita sumur kuantum, K adalah konstanta Boltzmann, T adalah suhu, q adalah muatan elektron, B adalah koefisien rekombinasi radiasi bimolekuler, dan l adalah ketebalan MQWs. Untuk LED tertentu, kontribusi variasi E untuk Jmelimpah bisa diabaikan dibandingkan dengan T sebagai suhu menurun. Oleh karena itu, Jmelimpah meningkat secara signifikan pada 5 K dibandingkan dengan RT, yang diyakini sebagai alasan utama penurunan arus injeksi saat mencapai EQE maksimum. Jmelimpah menurun saat suhu meningkat, menghasilkan peningkatan arus injeksi untuk EQE maksimum, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b. Pada suhu rendah, efisiensi internal akan meningkat karena pembekuan pusat nonradiatif, seperti dislokasi, yang bermanfaat untuk LED C dengan volume wilayah aktif terbesar. Ini adalah alasan paling mungkin mengapa rasio EQE LED B terhadap LED C menurun pada 5 K dibandingkan dengan di RT. Demikian pula, rasio EQE LED B terhadap LED A meningkat sebesar 5 K dibandingkan dengan di RT.
Kesimpulan
Kami mempelajari pengaruh lebar QW pada sifat EL LED AlGaN DUV pada suhu yang berbeda. Spektrum EL menunjukkan pergeseran merah saat lebar QW meningkat. EQE maksimum untuk LED dengan lebar QW 3,5 nm adalah sekitar 6,8 dan 4,8 kali berturut-turut dibandingkan dengan 2 dan 5 nm di RT. Namun, nilai ini masing-masing berubah menjadi 8,2 dan 1,6 pada 5 K. Perubahan yang berbeda dari rasio EQE maksimum dikaitkan dengan penurunan rekombinasi non-radiatif dan peningkatan volume wilayah aktif. Dari analisis teoritis, LED dengan sumur 2 nm menunjukkan penghalang paling dangkal untuk limpahan elektron karena efek kuantum terbatas, sedangkan LED dengan sumur 5 nm menunjukkan sedikit tumpang tindih elektron dan lubang karena medan internal yang besar. Oleh karena itu, LED dengan QW 3,5 nm menunjukkan EQE maksimum tertinggi. Saat suhu menurun, arus untuk EQE maksimum menurun untuk semua LED, yang diyakini karena peningkatan elektron yang meluap keluar dari QW dan penurunan konsentrasi lubang. EQE maksimum untuk LED dengan lebar QW 3,5 nm adalah sekitar 8,2 dan 1,6 kali masing-masing dari 2 dan 5 nm pada 5 K, yang diyakini karena penurunan pusat rekombinasi non-radiatif dan peningkatan volume wilayah aktif.
