Meningkatkan Kinerja LED Ultraviolet Dalam melalui Lapisan Penyebaran Arus NPN-AlGaN yang Diumatkan Secara Lokal

Abstrak

Kami menyajikan strategi baru untuk meningkatkan penyebaran arus dalam LED ultraviolet dalam (DUV LED) berbasis AlGaN dengan menyisipkan struktur n-AlGaN/p-AlGaN/n-AlGaN (NPN-AlGaN) yang didop secara lokal ke dalam lapisan penyedia elektron. Sisipan p-AlGaN tipis menciptakan barier konduksi yang mendistribusikan ulang arus lateral dalam lapisan penyedia lubang tipe-p, mengurangi kepadatan arus. Parameter kunci—tingkat dopan Mg, ketebalan lapisan p, komposisi AlN, dan jumlah junc­ti NPN—diketahui secara kritis mempengaruhi efek penyebaran. Lapisan NPN-AlGaN yang dioptimalkan meningkatkan keluaran optik, efisiensi kuantum eksternal (EQE), dan efisiensi stop kontak dinding (WPE) untuk LED DUV.

Pendahuluan

LED DUV berbasis AlGaN esensial untuk penginfeksian, pemurnian air, aplikasi medis, dan perekaman optik padat tinggi. Perkembangan terbaru dalam kualitas kristal—seperti epitaksi quasi-Van der Waals AlN assisted grafen pada safir nano-pola—telah menurunkan densitas dislokasi dan meningkatkan efisiensi kuantum internal (IQE) hingga 80%. Namun, LED DUV didorong secara listrik, di mana injeksi dan transportasi pembawa menentukan kinerja. Tantangan utama adalah kepadatan arus, terutama di bawah bias tinggi, karena efisiensi dopan Mg yang rendah pada lapisan p-AlGaN dengan konten Al tinggi dan geometri injeksi lateral dari struktur flip-chip. Skema penyebaran arus berdasarkan kontak p-sempit atau lapisan ITO/ZGO telah menunjukkan keberhasilan terbatas, seringkali menghadapi hambatan resistensi antarmuka atau konduktivitas lateral yang tidak cukup.

Dalam karya ini, kami mengubah fokus dari sisi p ke lapisan penyedia elektron tipe-n. Dengan merancang profil dopan dalam n-AlGaN untuk membentuk junc­ti NPN-AlGaN, kami menghasilkan barier energi yang terkontrol yang mendistribusikan ulang arus lateral, sehingga meningkatkan injeksi lubang dan efisiensi perangkat secara keseluruhan. Pendekatan ini menawarkan fleksibilitas lebih besar untuk optimasi epitaksial sambil langsung mengatasi kepadatan arus.

Metode Penelitian dan Model Fisika

Struktur LED DUV dasar terdiri dari lapisan n-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N dengan ketebalan 4 µm yang didop Si pada 5×10¹⁸ cm⁻³, diikuti oleh lima MQW Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N/Al₀.₅₆Ga₀.₄₄N (3 nm/12 nm). Lapisan p-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N dengan dopan Mg sebalik elektron (EBL) dengan ketebalan 18 nm melapisi MQW, diikuti oleh lapisan p-Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N dan p-GaN dengan ketebalan 50 nm, masing-masing dengan konsentrasi lubang 3×10¹⁷ cm⁻³. Perangkat memiliki mesa 350 × 350 µm².

Gambar 1b mengilustrasikan profil konduksi untuk struktur yang berisi dua junc­ti NPN-AlGaN (NPNPN-AlGaN). Depleksi dari sisipan p-AlGaN menciptakan barier vertikal (ϕ₁, ϕ₂) yang menyesuaikan distribusi arus lateral. Junc­ti harus terdepleksi sepenuhnya untuk beroperasi dalam mode breakdown reach-through. Semua perangkat dibandingkan dengan LED referensi tanpa junc­ti NPN.

Kami memodelkan aliran arus dengan rangkaian ekivalen (Fig. 2a), memisahkan komponen vertikal (I₁) dan horizontal (I₂). Kehadiran junc­ti NPN memperkenalkan resistensi antarmuka R_npn per junc­ti, mengurangi rasio I₁/I₂ (Eq. 3). Meningkatkan jumlah junc­ti (N) atau meningkatkan R_npn—dengan menyesuaikan konten AlN, ketebalan, atau dopan Mg—lebih mempromosikan penyebaran lateral.

Fisika perangkat disimulasikan menggunakan Crosslight APSYS, dengan model yang divalidasi untuk rekombinasi Auger (1×10⁻³⁰ cm⁶s⁻¹), umur SRH (10 ns), ekstraksi cahaya (≈8 %), dan offset band 50:50 untuk heterojunc­ti AlGaN. Muatan polarisasi diatur pada 40 % dari ketidakcocokan jali.

Hasil dan Pembahasan

Dampak NPN-AlGaN terhadap Penyebaran Arus

Membandingkan LED referensi A (tanpa NPN) dengan LED B (satu junc­ti NPN, 20 nm p-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N, Mg = 1×10¹⁸ cm⁻³) menunjukkan dua barier konduksi pada LED B (Fig. 3a). Barier-barier ini meningkatkan R_npn, menurunkan I₁/I₂, dan memungkinkan distribusi lubang lateral yang lebih seragam dalam quantum well terakhir (LQW) (Fig. 3b). Akibatnya, konsentrasi lubang dan laju rekombinasi radiatif dalam MQW meningkat (Fig. 4a-b), yang diterjemahkan menjadi EQE dan densitas daya optik yang lebih tinggi (Fig. 5a). Meskipun tegangan maju meningkat sedikit (Fig. 5b), efisiensi stop kontak dinding (WPE) melebihi referensi di atas ~56 A cm⁻² (Fig. 5c), mengonfirmasi manfaat rekayasa NPN-AlGaN.

Efek Komposisi AlN pada Lapisan p-AlGaN

Lima perangkat (Cᵢ, i = 1–5) dibuat dengan fraksi AlN 0,60, 0,63, 0,66, 0,69, 0,72 pada lapisan p 20-nm (Mg = 1,8×10¹⁸ cm⁻³). AlN yang lebih tinggi meningkatkan barier konduksi (Tabel 1), meningkatkan R_npn dan mengurangi I₁/I₂ (Eq. 3). Profil lubang lateral (Fig. 6a) dan konsentrasi MQW (Fig. 6b-c) menunjukkan keseragaman yang progresif dan densitas pembawa yang lebih tinggi dengan konten AlN yang lebih besar. EQE dan densitas daya optik mengikuti (Fig. 7a), sementara tegangan maju meningkat modest (Fig. 7b). Manfaat WPE maksimal pada fraksi AlN menengah (C₂), menyeimbangkan ketinggian barier dengan penurunan tegangan tambahan (Fig. 8).

Pengaruh Dopan Mg

Perangkat Dᵢ (i = 1–5) bervariasi dopan Mg pada lapisan p 20-nm (3×10¹⁷ – 3×10¹⁸ cm⁻³) dengan AlN = 0,61. Mg yang lebih tinggi meluas wilayah depleksi, meningkatkan barier dan R_npn (Tabel 2). Distribusi lubang lateral menjadi lebih seragam (Fig. 9a), meningkatkan konsentrasi lubang MQW dan rekombinasi radiatif (Fig. 9b-c). EQE dan densitas daya optik meningkat dengan dopan (Fig. 10a), meskipun tegangan juga meningkat, terutama untuk tingkat Mg tertinggi (Fig. 10b). WPE meningkat hingga Mg = 2×10¹⁸ cm⁻³ tetapi menurun pada dopan tertinggi karena penurunan tegangan berlebih (Fig. 11).

Ketebalan Lapisan Sisipan p-AlGaN

Seri Tᵢ (i = 1–5) menggunakan lapisan p 18-, 20-, 24-, 28-, dan 32-nm (AlN = 0,61, Mg = 1,5×10¹⁸ cm⁻³). Ketinggian barier meningkat dengan ketebalan (Tabel 3), lebih mengurangi I₁/I₂ dan meningkatkan penyebaran lateral (Fig. 12a). Konsentrasi lubang MQW dan laju rekombinasi meningkat seiringnya (Fig. 12b-c). Daya optik dan EQE meningkat (Fig. 13a), dan tegangan maju menurun secara signifikan untuk perangkat 20-, 24-, dan 28-nm (Fig. 13b). Namun, lapisan paling tebal (32 nm) menunjukkan tegangan nyala yang lebih tinggi karena dioda parasit N-AlGaN/P-AlGaN. WPE mencapai puncak pada ketebalan optimal, menunjukkan kebutuhan akan pensetelan yang hati-hati (Fig. 14).

Jumlah Junc­ti NPN-AlGaN

LED Nᵢ (i = 1–5) berisi 1 hingga 5 junc­ti NPN, masing-masing dengan lapisan p 20-nm (AlN = 0,61, Mg = 1,5×10¹⁸ cm⁻³). Meskipun ketinggian barier individual serupa (Tabel 4), barier kumulatif meningkat dengan jumlah junc­ti, memperkuat penyebaran lateral (Fig. 15a). Konsentrasi lubang MQW dan laju rekombinasi meningkat secara progresif (Fig. 15b-c). EQE dan densitas daya optik meningkat dengan jumlah junc­ti, tetapi keuntungan menurun setelah tiga junc­ti (Fig. 16a). Tegangan maju menurun dibandingkan referensi (Fig. 16b), dan manfaat WPE jelas hingga lima junc­ti, meskipun keuntungan tambahan menipis (Fig. 17).

Kesimpulan

Menyematkan junc­ti NPN-AlGaN dalam lapisan penyedia elektron tipe-n secara efektif mengurangi kepadatan arus dalam wilayah penyedia lubang tipe-p dari LED DUV berbasis AlGaN. Dengan menyesuaikan komposisi AlN, dopan Mg, ketebalan lapisan sisipan, dan jumlah junc­ti, kami dapat meratakan arus lateral, meningkatkan injeksi lubang, dan meningkatkan EQE serta WPE. Meskipun EQE selalu mendapat manfaat, keuntungan WPE mencapai platō ketika penurunan tegangan tambahan dari barier melebihi keuntungan penyebaran, menekankan pentingnya desain yang seimbang. Studi ini memperkenalkan strategi penyebaran arus yang serbaguna dan ramah pertumbuhan yang meningkatkan kinerja LED DUV daya tinggi.