Peningkatan Kinerja Dioda Pemancar Cahaya Ultraviolet Dalam Berbasis AlGaN dengan Lapisan Deselerasi Elektron Superlattice Berkicau
Abstrak
Dioda pemancar cahaya (LED) ultraviolet dalam (DUV) berbasis AlGaN mengalami limpahan elektron dan injeksi lubang yang tidak mencukupi. Dalam makalah ini, struktur LED DUV baru dengan lapisan deselerasi elektron superlattice (SEDL) diusulkan untuk memperlambat elektron yang disuntikkan ke wilayah aktif dan meningkatkan rekombinasi radiasi. Efek dari beberapa SEDL berkicau pada kinerja LED DUV telah dipelajari secara eksperimental dan numerik. LED DUV telah dikembangkan dengan deposisi uap kimia logam-organik (MOCVD) dan dibuat menjadi 762 × 762 μm
2
chip, menunjukkan emisi puncak tunggal pada 275 nm. Efisiensi kuantum eksternal sebesar 3,43% dan tegangan operasi 6,4 V diukur pada arus maju 40 mA, yang menunjukkan bahwa efisiensi colokan dinding adalah 2,41% dari LED DUV dengan SEDL berkicau konten Al yang meningkat. Mekanisme yang bertanggung jawab untuk perbaikan ini diselidiki oleh simulasi teoritis. Masa pakai LED DUV dengan SEDL berkicau konten Al naik diukur lebih dari 10.000 h pada L50, karena promosi injeksi pembawa.
Pengantar
Dalam beberapa tahun terakhir, dioda pemancar cahaya (LED) ultraviolet dalam (DUV) berbasis AlGaN, yang spektrumnya dianggap berasal dari UVB (320 nm–280 nm) dan UVC (280 nm–100 nm), telah menarik banyak perhatian karena aplikasinya. dalam pencahayaan tanaman, fototerapi, pemurnian air, dan sterilisasi udara dan permukaan [1,2,3,4,5,6]. Namun, daya keluaran cahaya (LOP) dari LED DUV berbasis AlGaN yang canggih turun secara signifikan karena panjang gelombang emisi cahaya menjadi lebih pendek [7, 8]. LED DUV tersebut memiliki efisiensi kuantum internal (IQE) yang rendah, efisiensi ekstraksi cahaya (LEE), dan efisiensi injeksi pembawa (CIE) [9,10,11,12,13]. Secara umum, defisiensi IQE disebabkan oleh kepadatan besar cacat dan dislokasi threading, sedangkan LEE yang tidak mencukupi disebabkan oleh polarisasi bahan AlGaN dan penyerapan oleh lapisan kontak p-GaN yang tidak transparan [14,15,16,17,18]. Selanjutnya, elektron overflow adalah alasan utama untuk CIE yang buruk, yang disebabkan oleh kepadatan lubang yang tidak memadai dan mobilitas elektron dan lubang yang tidak seimbang secara signifikan dalam bahan AlGaN [19, 20].
Secara konvensional, lapisan pemblokiran elektron AlGaN tipe-p Al-tinggi (EBL) digunakan untuk menekan luapan elektron. Tetapi hanya sedikit lubang yang dapat disuntikkan ke daerah aktif melalui penghalang di pita valensi yang diperkenalkan oleh EBL, dan bahkan lebih sedikit lubang yang dapat melintasi penghalang daerah aktif dan mengangkut ke sumur kuantum di dekat lapisan tipe-n karena rendahnya efisiensi aktivasi dari dopan Mg dan mobilitas kecil lubang [21]. Berbagai upaya telah dilakukan untuk meningkatkan injeksi elektron dan lubang, seperti lapisan penghalang lubang, penghalang terakhir yang dirancang khusus, EBL, dan beberapa struktur sumur kuantum [22,23,24,25,26]. Namun demikian, kinerja LED DUV tidak meningkat secara substansial.
Dalam karya ini, kami telah mengusulkan struktur LED DUV baru dengan lapisan deselerasi elektron superlattice (SEDL) untuk memperlambat injeksi elektron dan menahan limpahan elektron tanpa mengorbankan injeksi lubang. Kami telah mempelajari efek beberapa SEDL pada kinerja LED DUV secara eksperimental dan numerik. LED DUV telah dikembangkan dengan deposisi uap kimia logam-organik (MOCVD) dan dibuat menjadi 762 × 762 μm
2
chip, menunjukkan emisi puncak tunggal pada 275 nm. Efisiensi kuantum eksternal (EQE) sebesar 3,43% dan tegangan operasi 6,4 V diukur pada arus maju 40 mA, yang menunjukkan bahwa efisiensi colokan dinding adalah 2,41% dari LED DUV dengan SEDL berkicau konten Al yang meningkat. Masa pakai LED DUV dengan SEDL berkicau konten Al naik diukur lebih dari 10.000 h pada L50. Selanjutnya, mekanisme peningkatan kinerja diselidiki dengan simulasi teoritis. Telah diverifikasi bahwa SEDL berkicau mampu menyeimbangkan elektron dan injeksi lubang ke wilayah aktif, yang mendorong rekombinasi radiasi di beberapa sumur kuantum pertama di dekat lapisan tipe-n.
Metode dan Bagian Eksperimental
Epitaksi oleh MOCVD
Heterostruktur LED DUV berbasis AlGaN ditumbuhkan menggunakan sistem MOCVD dinding dingin vertikal. Untuk epitaksi seluruh struktur, trimetilaluminium (TMA), trimetilgallium (TMG), dan amonia (NH3 ) masing-masing digunakan sebagai sumber Al, Ga, dan N. H2 digunakan sebagai gas pembawa. Gambar 1a mengilustrasikan skema untuk struktur LED DUV dengan SEDL berkicau. Pertumbuhan dimulai dengan AlN setebal 2,7 m, menggunakan metode pertumbuhan dengan interlayer gradien AlN awal untuk modifikasi mode pertumbuhan [27], kemudian Al yang didoping Si setebal 3 μm0,6 Ga0,4 Lapisan kontak tipe-n N, di mana konsentrasi elektron dan mobilitas lapisan tipe-n ini diukur sebesar 4,5 × 10
18
cm
−3
dan 52 cm
2
/V s, masing-masing, menurut sistem Hall. Ini diikuti oleh SEDL undoped setebal 40 nm. Gambar 1b–e. menunjukkan struktur pita LED DUV konvensional dan tiga LED DUV yang diusulkan dengan SEDL, masing-masing diberi nama sampel A, B, C, dan D. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1c, sampel B memiliki SEDL homogen periode 20 yang seragam dari Al0,65 Ga0,35 T/Al0,5 Ga0,5 N superlattic. SEDL sampel C dan D berkicau terdiri dari empat set superlattice 5-periode dengan lapisan kandungan Al tinggi yang berbeda, yaitu, 0,7, 0,65, 0,6, dan 0,55, sedangkan komposisi Al dari lapisan kandungan Al rendah adalah dijaga konstan menjadi 0,5. Untuk sampel C, komposisi Al dari lapisan dengan kandungan Al tinggi secara bertahap naik dari bawah ke atas, yang bertentangan dengan komposisi untuk sampel D, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 d dan e. Ketebalan setiap lapisan untuk SEDL diatur menjadi 1 nm dengan mantap. Wilayah aktif LED DUV terdiri dari Al0,6 Ga0,4 N:Lapisan kelongsong Si untuk penyebaran arus, diikuti oleh sumur kuantum multipel 5 periode, menggunakan Al0,57 setebal 14 nm Ga0,43 N barrier dan Al0,45 . setebal 2 nm Ga0,55 N sumur. Kemudian, Al0,7 Ga0,3 Lapisan kontak tipe-p N:Mg dan GaN:Mg ditumbuhkan secara berurutan. Konsentrasi lubang dan mobilitas p-GaN diukur menjadi 3,6 × 10
17
cm
−3
dan 15 cm
2
/V s, masing-masing, menurut sistem Hall.
Simulasi struktur LED DUV yang dirancang dengan dan tanpa SEDL. a Skema struktur LED DUV dengan SEDL berkicau. SEDL periode 20 dengan komposisi Al yang berbeda disisipkan di antara lapisan AlGaN tipe-n dan lapisan kelongsong penyebar arus AlGaN. b Struktur seluruh pita sampel konvensional (a ) tanpa SEDL. Area yang disorot mengacu pada wilayah yang ditentukan di mana SEDL akan dimasukkan. c Struktur pita SEDL sampel (b ), yang merupakan superlattice homogen Al0.5Ga0.5N/Al0.65Ga0.35N periode 20. Setiap lapisan SEDL berukuran 1 nm. d Struktur pita SEDL sampel (c ), yaitu empat set superlattice SEDL kandungan Al menurun 5 periode dengan lapisan kandungan Al tinggi yang berbeda, yaitu 0,7, 0,65, 0,6, dan 0,55. e Struktur pita SEDL sampel (d ), yang merupakan empat set superlattice SEDL konten Al 5-periode menaik dengan lapisan konten Al tinggi yang berbeda, yaitu 0,55, 0,6, 0,65, dan 0,7
Fabrikasi Perangkat
Mengikuti pertumbuhan MOCVD, LED DUV dibuat dengan teknik pemrosesan standar. Pertama, struktur mesa dengan geometri bujur sangkar dan jari dibentuk dengan etsa kering hingga 150 nm di bawah bagian atas Al yang didoping Si0,6 Ga0,4 Lapisan kontak tipe-N, diikuti dengan anil 900 °C untuk memperbaiki kerusakan etsa. Kemudian, tumpukan logam kontak Ti/Al/Ni/Au n diendapkan dan dianil pada suhu 850 °C dalam atmosfer nitrogen. Selanjutnya, film ITO dievaporasi dan dianil pada 250 °C untuk penggunaan p-contact, diikuti dengan penguapan elektroda tebal, pengendapan lapisan pasivasi, penguapan pad, dan stealth dicing menjadi 762 × 762 μm
2
keripik.
Simulasi
Untuk memperjelas mekanisme peningkatan kinerja LED DUV, diagram pita, sifat optik, dan karakteristik pengangkutan pembawa dari struktur ini disimulasikan dengan menyelesaikan persamaan Schrödinger, persamaan Poisson, persamaan pengangkutan pembawa, dan persamaan kontinuitas arus secara konsisten oleh Crosslight APSYS (Model Fisik Lanjutan Perangkat Semikonduktor) program [28]. Waktu rekombinasi Shockley-Read-Hall (SRH) diatur menjadi 1,5 ns untuk semua lapisan kecuali lapisan yang disisipkan tipe-p sebagai 1 ns karena masa pakai SRH bergantung pada tingkat doping [29]. Kerugian internal adalah 2000 m
−1
[30]. Parameter membungkuk b adalah 1 eV, dan rasio band-offset diasumsikan 0,7/0,3 untuk bahan AlGaN [31]. Koefisien rekombinasi Auger diatur menjadi 1 × 10
−30
cm
6
/s agar sesuai dengan eksperimen [32]. Dalam simulasi ini, biaya antarmuka built-in karena polarisasi spontan dan piezoelektrik dihitung berdasarkan metode yang diusulkan oleh Fiorentini et al. [33]. Selanjutnya, dengan mempertimbangkan penyaringan berdasarkan cacat, kerapatan muatan permukaan diasumsikan 40% dari nilai yang dihitung [34].
Hasil dan Diskusi
Karena empat sampel memiliki templat AlN dan tipe-n AlGaN yang identik, kualitas kristal dari sampel A, B, C, dan D diukur dengan difraksi sinar-X resolusi tinggi (HR-XRD). Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, kurva goyang sinar-X (XRC) sepanjang bidang simetris (002) dan bidang asimetris (102) untuk kedua lapisan dilakukan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa lebar penuh XRC pada setengah maksimum (FWHM) dan kerapatan dislokasi ulir (TDD) dari empat sampel hampir sama, menunjukkan bahwa kualitas kristal bukanlah alasan utama untuk peningkatan kinerja perangkat. Selain itu, dapat ditemukan bahwa threading dislocation density (TDDs) pada lapisan AlGaN lebih tinggi dibandingkan pada lapisan AlN, yang diakibatkan oleh sifat kristal campuran, cacat antarmuka, dan pengotor doping Si [35]. Menurut penelitian Ban et al. tentang korelasi antara IQE dan TDD, IQE untuk semua sampel dalam penelitian ini adalah sekitar 30–40% [36].
Untuk mengkonfirmasi keberhasilan pertumbuhan struktur baru, kami melakukan pengukuran mikroskop elektron transmisi (BF-STEM) cross-sectional untuk sampel tipikal B sebagai perwakilan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Dapat dilihat bahwa TDD penurunan selama seluruh proses pertumbuhan AlN setebal 2,7 m pada Gambar. 2a. Gambar 2b menunjukkan periodisitas yang baik dan lapisan setebal hampir 1 nm di setiap periode SEDL. Selanjutnya, lima periode dari beberapa sumur kuantum dengan antarmuka yang berbeda dikenali pada Gambar. 2c, di mana penghalang berukuran 14 nm dan sumur berukuran sekitar 2,1 nm.
Karakterisasi morfologi tipikal sampel B. a Gambar STEM penampang dari template AlN. b Gambar STEM cross-sectional di wilayah 20 periode SEDL. c Gambar STEM penampang di wilayah aktif
Untuk mengetahui kinerja perangkat, chip LED DUV direkatkan secara eutektik pada substrat keramik AlN untuk meminimalkan efek pemanasan. Setelah itu, substrat dipasang pada pelat aluminium heksagonal dengan pasta solder. Kemudian, pengukuran listrik dan optik dilakukan, menggunakan Sistem Analisis Fotolistrik ATA-1000 yang dilengkapi dengan bola integrasi berdiameter 30 cm [37]. Gambar 3a menunjukkan variasi daya keluaran cahaya (LOP) versus arus injeksi. LOP sampel D dengan SEDL konten Al menaik adalah 6,17 mW pada 40 mA, 14,99 mW pada 100 mA, dan 44.975 mW pada 360 mA, yang merupakan faktor tiga kali lebih tinggi daripada sampel A konvensional tanpa SEDL. Hal ini menunjukkan bahwa SEDL bermanfaat untuk penekanan limpahan elektron dan injeksi lubang. Sementara itu, sedikit kejenuhan LOP untuk empat sampel dapat diamati, ketika beroperasi pada bias tinggi, yang terkait dengan efek pemanasan dan rekombinasi Auger [38]. EQE terhadap arus injeksi digambarkan pada Gambar 3b. EQE maksimum adalah 3,43% pada 40 mA untuk sampel D, sedangkan puncak EQE hanya 1,17% untuk sampel A. Sementara itu, LOP dan EQE sampel D dengan SEDL konten Al menaik lebih tinggi daripada sampel B dengan seragam dan penurunan SEDL konten Al, yang menunjukkan rekombinasi radiasi yang lebih efisien dalam sampel D. Karakteristik tegangan arus yang diukur untuk semua sampel ditunjukkan pada Gambar. 3c. Dapat diketahui bahwa penggabungan SEDL meningkatkan tegangan operasi dari 5,13 V pada 40 mA untuk sampel A menjadi 7,09 V pada 40 mA untuk sampel B, karena peningkatan resistivitas dari SEDL komposisi Al yang tinggi. Selain itu, dapat dilihat bahwa tegangan operasi lebih rendah untuk sampel C dan D daripada sampel B. Menurut desain struktur dan pengukuran transmisi untuk sampel lapisan tunggal, komposisi Al rata-rata penghalang sampel C dan D SEDL adalah 62,5% sedangkan sampel B adalah 65%. Kandungan Al yang lebih tinggi menyebabkan efisiensi doping yang lebih rendah dan resistensi yang lebih tinggi, yang mengakibatkan peningkatan tegangan operasi. Perlu disebutkan bahwa tegangan sampel D adalah 6,4 V pada 40 mA, menghasilkan efisiensi sumbat dinding (WPE) maksimum 2,41%. Spektrum electroluminescence pada 10 mA ditunjukkan pada Gambar. 3d. Emisi puncak dari empat sampel sekitar 275 nm, dan tren intensitas puncaknya sama dengan LOP. Ini juga menunjukkan bahwa SEDL kicau konten Al menaik tersedia untuk peningkatan kinerja perangkat LED DUV.
Karakteristik listrik dan optik sampel dengan SEDL berbeda pada suhu kamar. a Ketergantungan LOP pada arus injeksi di bawah bias CW. b Ketergantungan EQE pada arus injeksi di bawah bias CW. c Ketergantungan arus injeksi pada tegangan operasi. d Spektrum EL dari semua sampel pada arus injeksi 10 mA, emisi puncaknya sekitar 275 nm
Untuk menjelaskan mekanisme yang bertanggung jawab atas peningkatan ini, simulasi teoretis dilakukan oleh program APSYS dan hasilnya ditampilkan pada Gambar 4. Densitas arus elektron dan distribusi densitas arus lubang di dekat wilayah aktif pada 200 mA dihitung pada Gambar. 4 a dan b. Dapat ditemukan bahwa rapat arus injeksi elektron sampel dengan SEDL sedikit lebih rendah dibandingkan sampel A tanpa SEDL, sedangkan untuk arus injeksi hole, situasinya berbanding terbalik, menggambarkan bahwa SEDL mampu memperlambat elektron dari tipe-n. Lapisan injeksi elektron AlGaN dan mempromosikan injeksi lubang yang sesuai. Tingkat rekombinasi radiasi untuk semua sampel dihitung pada Gambar. 4c. Dengan penggabungan SEDL yang berbeda, tingkat rekombinasi radiasi di sumur kuantum dekat lapisan tipe-n jelas meningkat. Sementara itu, dari sampel A ke sampel D, laju rekombinasi radiasi di lima sumur kuantum secara bertahap menjadi seragam, yang hampir sama untuk sampel D dengan SEDL kicau konten Al yang meningkat. Ini lebih lanjut menunjukkan bahwa SEDL dapat menyeimbangkan injeksi pembawa elektron dan lubang ke wilayah aktif dan mempromosikan rekombinasi radiasi di beberapa sumur kuantum pertama di dekat lapisan tipe-n sementara itu. Akibatnya, IQE untuk empat sampel disimulasikan dan diplot pada Gambar. 4d. IQE sampel D adalah yang tertinggi, yang konsisten dengan EQE pada Gambar 4b. Terlebih lagi, penurunan efisiensi dalam sampel dengan SEDL tampaknya meningkat. Pada seluruh rentang arus injeksi, penurunan efisiensi masing-masing adalah 70,33%, 59,79%, 48,93%, dan 36,26% untuk sampel A, B, C, dan D, yang didefinisikan sebagai penurunan efisiensi = (IQEmax IQE250 mA )/IQEmaks . Penurunan efisiensi umumnya dianggap disebabkan oleh kebocoran elektron dan injeksi lubang yang tidak mencukupi [39]. Peningkatan efisiensi droop menjelaskan bahwa SEDL dapat menyeimbangkan transportasi pembawa ke wilayah aktif dan mempromosikan rekombinasi radiasi di sumur kuantum, yang pada akhirnya meningkatkan kinerja perangkat.
Simulasi dan analisis teoretis. a Rapat arus elektron di daerah aktif pada arus injeksi 200 mA. b Kerapatan arus lubang di daerah aktif pada arus injeksi 200 mA. c Tingkat rekombinasi radiasi di beberapa sumur kuantum pada arus injeksi 200 mA. d Ketergantungan IQE yang dihitung pada arus injeksi
Masa pakai perangkat diukur pada 20 mA dan suhu kamar. Untuk setiap sampel, untuk memastikan keakuratan hasil, 10 chip dipilih secara acak dan rata-rata LOP relatifnya pada waktu tegangan yang berbeda digambarkan pada Gambar 5. Seperti yang ditunjukkan, dibandingkan dengan sampel A, masa pakai sampel dengan SEDL jelas diperpanjang. Degradasi perangkat LED sebagian terkait dengan akumulasi cacat, saluran konduktif ohmik, dan injeksi pembawa yang kurang [40]. Peningkatan masa pakai selanjutnya memverifikasi bahwa SEDL dapat menyeimbangkan transpor elektron dan lubang dan mempromosikan injeksi pembawa ke wilayah aktif. Lebih lanjut, masa operasi rata-rata untuk sampel D dengan SEDL kicau konten Al yang meningkat adalah lebih dari 10.000 h pada L50, yang memadai untuk aplikasi praktis.
LOP relatif sebagai fungsi dari waktu penuaan untuk semua sampel pada 20 mA dan suhu kamar. Penuaan dihentikan ketika LOP relatif di bawah 50%. Kurva hitam, merah, hijau, dan biru mewakili sampel a , b , c , dan d , masing-masing. Masa pakai untuk sampel D dengan SEDL kicau konten Al menaik adalah lebih dari 10.000 h pada L50
Kesimpulan
Efek dari lapisan deselerasi elektron superlattice pada LED DUV diselidiki secara eksperimental dan numerik. Hasilnya menunjukkan bahwa SEDL berkicau mampu menyeimbangkan elektron dan injeksi lubang ke wilayah aktif, yang mendorong rekombinasi radiasi di beberapa sumur kuantum pertama di dekat lapisan tipe-n. Peningkatan rekombinasi radiasi selanjutnya mengarah pada peningkatan kinerja perangkat LED DUV. LED DUV berbasis AlGaN telah dibuat menjadi 762 × 762 μm
2
chip, menunjukkan emisi puncak tunggal pada 275 nm. Efisiensi kuantum eksternal sebesar 3,43% dan tegangan operasi 6,4 V diukur pada arus maju 40 mA, menunjukkan bahwa efisiensi colokan dinding adalah 2,41% dari LED DUV dengan SEDL berkicau konten Al yang meningkat. Masa pakai LED DUV dengan SEDL berkicau konten Al naik diukur lebih dari 10.000 h pada L50, karena promosi injeksi pembawa. Perbaikan lebih lanjut dapat diharapkan dengan memperkenalkan pengangkatan laser, pengerasan permukaan, elektroda pemantul, dan enkapsulasi. Secara umum, LED DUV yang dirancang dengan SEDL kicau menunjukkan sifat listrik yang memuaskan, kinerja optik yang baik, dan keandalan yang diinginkan, yang menjanjikan untuk pemurnian air dan sterilisasi permukaan dengan efisiensi tinggi.
Ketersediaan Data dan Materi
Semua data dan bahan dalam naskah tersedia.
Singkatan
APSYS:
Model Fisik Lanjutan Perangkat Semikonduktor
BF-STEM:
Mikroskop elektron transmisi pemindaian medan terang
