Meningkatkan Efisiensi LED UV Dalam AlGaN dengan Lapisan Pengebrak Elektron Superjaring Di-Cirp
Abstrak
Dioda pemancar cahaya (LED) ultraviolet dalam (DUV) berbasis AlGaN menderita dari kebocoran elektron dan injeksi lubang yang tidak cukup. Dalam makalah ini, struktur LED DUV baru dengan lapisan pengebrak elektron superjaring (SEDL) diusulkan untuk mengebrak elektron yang diinjektor ke wilayah aktif dan meningkatkan rekombinasi radiatif. Efek beberapa SEDL di-cirp pada performa LED DUV telah diteliti secara eksperimental dan numerik. LED DUV telah ditumbuhkan dengan depoersi kimia organik logam dalam fasa uap (MOCVD) dan dibuat menjadi chip 762 × 762 μm², yang menunjukkan emisi puncak tunggal pada 275 nm. Efisiensi kuantum eksternal 3,43 % dan tegangan operasional 6,4 V diukur pada arus maju 40 mA, yang menunjukkan bahwa efisiensi colok-kontak adalah 2,41 % dari LED DUV dengan SEDL di-cirp Al-konten naik. Mekanisme yang bertanggung jawab terhadap peningkatan ini diteliti oleh simulasi teoretis. Umur LED DUV dengan SEDL di-cirp Al-konten naik diukur lebih dari 10.000 jam pada L50, karena promosi injeksi pembawa.
Pendahuluan
Dalam beberapa tahun terakhir, LED ultraviolet dalam (DUV) berbasis AlGaN, yang spekturnya dikaitkan dengan UVB (320 nm–280 nm) dan UVC (280 nm–100 nm), telah menarik perhatian yang banyak karena aplikasinya dalam pencahayaan tanaman, fototerapi, pemurnian air, dan sterilasi udara serta permukaan [1,2,3,4,5,6]. Namun, daya keluaran cahaya (LOP) dari LED DUV AlGaN terdekat menurun secara signifikan seiring berkurangnya panjang gelombang emisi cahaya [7, 8]. LED DUV tersebut menderita dari efisiensi kuantum internal (IQE), efisiensi ekstraksi cahaya (LEE), dan efisiensi injeksi pembawa (CIE) yang rendah [9,10,11,12,13]. Secara umum, IQE yang rendah disebabkan oleh densitas defek dan perecahan threaded yang besar, sementara LEE yang tidak cukup disebabkan oleh polarisasi material AlGaN dan penyerapan oleh lapisan kontak p-GaN yang tidak transparan [14,15,16,17,18]. Selain itu, kebocoran elektron adalah alasan utama dari CIE yang buruk, yang disebabkan oleh densitas lubang yang tidak cukup dan ketidakseimbangan mobilitas elektron dan lubang yang signifikan dalam material AlGaN [19, 20].
Secara konvensional, lapisan pengebrak elektron (EBL) p-tipe AlGaN dengan Al-konten tinggi digunakan untuk menekan kebocoran elektron. Namun hanya sedikit lubang yang dapat diinjektor ke wilayah aktif melalui baris di dalam band valensi yang diperkenalkan oleh EBL, dan bahkan lebih sedikit lubang yang dapat melintasi baris wilayah aktif dan transportasi ke kuil kuantum dekat lapisan n-tipe karena efisiensi aktivasi dopan Mg yang rendah dan mobilitas lubang yang kecil [21]. Berbagai upaya telah dilakukan untuk meningkatkan injeksi elektron dan lubang, seperti lapisan penahan lubang, baris terakhir yang dirancang khusus, EBL, dan struktur kuil kuantum ganda [22,23,24,25,26]. Meskipun demikian, performa LED DUV tidak meningkat secara substansial.
Dalam karya ini, kami telah mengusulkan struktur LED DUV baru dengan lapisan pengebrak elektron superjaring (SEDL) untuk mengebrak injeksi elektron dan menekan kebocoran elektron tanpa mengorbankan injeksi lubang. Kami telah mempelajari efek beberapa SEDL pada performa LED DUV secara eksperimental dan numerik. LED DUV telah ditumbuhkan dengan MOCVD dan dibuat menjadi chip 762 × 762 μm², yang menunjukkan emisi puncak tunggal pada 275 nm. Efisiensi kuantum eksternal (EQE) sebesar 3,43 % dan tegangan operasional 6,4 V diukur pada arus maju 40 mA, yang menunjukkan bahwa efisiensi colok-kontak adalah 2,41 % dari LED DUV dengan SEDL di-cirp Al-konten naik. Umur LED DUV dengan SEDL di-cirp Al-konten naik diukur lebih dari 10.000 jam pada L50. Selain itu, mekanisme peningkatan performa diteliti oleh simulasi teoretis. Terverifikasi bahwa SEDL di-cirp dapat menyeimbangkan injeksi elektron dan lubang ke wilayah aktif, yang mempromosikan rekombinasi radiatif di beberapa kuil kuantum pertama dekat lapisan n-tipe.
Metode dan Bagian Eksperimen
Epitaksi oleh MOCVD
Heterostruktur LED DUV AlGaN ditumbuhkan menggunakan sistem MOCVD dinding dingin vertikal. Untuk epitaksi seluruh struktur, trimethylaluminum (TMA), trimethylgallium (TMG), dan ammonia (NH₃) digunakan sebagai sumber Al, Ga, dan N, masing-masing. H₂ digunakan sebagai gas pembawa. Gambar 1a menggambarkan skematis struktur LED DUV dengan SEDL di-cirp. Pertumbuhan dimulai dengan AlN tebal 2,7 μm, menggunakan metode pertumbuhan dengan lapisan antar gradien AlN awal untuk modifikasi mode pertumbuhan [27], kemudian lapisan kontak n-tipe Al₀.₆Ga₀.₄N yang didop Si tebal 3 μm, yang konsentrasi elektron dan mobilitas lapisan n-tipe ini diukur masing-masing sebesar 4,5 × 10¹⁸ cm⁻³ dan 52 cm²/V s, oleh sistem Hall. Diikuti oleh lapisan SEDL tanpa dop tebal 40 nm. Gambar 1b–e menunjukkan struktur band dari LED DUV konvensional dan tiga LED DUV yang diusulkan dengan SEDL, yang disebut sampel A, B, C, dan D, masing-masing. Seperti yang ditampilkan dalam Gambar 1c, sampel B memiliki SEDL seragam 20-periode superjaring Al₀.₆₅Ga₀.₃₅N/Al₀.₅Ga₀.₅N homogen. SEDL di-cirp sampel C dan D terdiri dari empat set 5-periode superjaring dengan lapisan Al-konten yang berbeda, yaitu 0,7, 0,65, 0,6, dan 0,55, sementara komposisi Al lapisan Al-konten rendah tetap konstan pada 0,5. Untuk sampel C, komposisi Al lapisan Al-konten tinggi bertambah secara bertahap dari bawah ke atas, yang berlawanan dengan sampel D, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1 d dan e. Ketebalan setiap lapis untuk SEDL diatur menjadi 1 nm secara konsisten. Wilayah aktif LED DUV terdiri dari lapisan penutup Al₀.₆Ga₀.₄N:Si untuk penyebaran arus, diikuti oleh 5-periode kuil kuantum ganda, menggunakan baris Al₀.₅₇Ga₀.₄₃N tebal 14 nm dan kuil Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N tebal 2 nm. Kemudian, EBL Al₀.₇Ga₀.₃N:Mg dan lapisan kontak p-tipe GaN:Mg ditumbuhkan secara berurutan. Konsentrasi dan mobilitas lubang p-GaN diukur masing-masing sebesar 3,6 × 10¹⁷ cm⁻³ dan 15 cm²/V s, oleh sistem Hall.
Simulasi struktur yang dirancang dari LED DUV dengan dan tanpa SEDL. a Skema struktur LED DUV dengan SEDL di-cirp. SEDL 20-periode dengan komposisi Al yang berbeda disisipkan antara lapisan AlGaN n-tipe dan lapisan penutup AlGaN penyebar arus. b Struktur band keseluruhan sampel konvensional (a) tanpa SEDL. Area yang disorot merujuk pada wilayah yang ditetapkan di mana SEDL akan disisipkan. c Struktur band SEDL dari sampel (b), yang merupakan superjaring Al₀.₅Ga₀.₅N/Al₀.₆₅Ga₀.₃₅N homogen 20-periode. Setiap lapis SEDL tebal 1 nm. d Struktur band SEDL dari sampel (c), yang merupakan empat set superjaring SEDL Al-konten menurun 5-periode dengan lapisan Al-konten tinggi yang berbeda, yaitu 0,7, 0,65, 0,6, dan 0,55. e Struktur band SEDL dari sampel (d), yang merupakan empat set superjaring SEDL Al-konten naik 5-periode dengan lapisan Al-konten tinggi yang berbeda, yaitu 0,55, 0,6, 0,65, dan 0,7
Pembuatan Perangkat
Setelah pertumbuhan MOCVD, LED DUV dibuat dengan teknik pemrosesan standar. Pertama, struktur mesa dengan geometri persegi dan jari dibentuk dengan penggerusan kering hingga 150 nm di bawah atas lapisan kontak n-tipe Al₀.₆Ga₀.₄N yang didop Si, diikuti oleh anil 900 °C untuk memperbaiki kerusakan penggerusan. Kemudian, tumpukan logam kontak n Ti/Al/Ni/Au ditiadapkan dan dianil pada 850 °C dalam atmosfer nitrogen. Selanjutnya, film IRI diava dan dianil pada 250 °C untuk penggunaan kontak p, diikuti oleh avap elektroda tebal, depoersi lapisan pelindung, avap pad, dan pemotongan rahasia menjadi chip 762 × 762 μm².
Simulasi
Untuk mengilustrasikan mekanisme peningkatan performa LED DUV, diagram band, properti optik, dan karakteristik transportasi pembawa dari struktur ini disimulasikan dengan menyelesaikan persamaan Schrödinger, persamaan Poisson, persamaan transportasi pembawa, dan persamaan kontinuitas arus secara konsisten oleh program Crosslight APSYS (Advance Physical Model of Semiconductor Devices) [28]. Waktu rekombinasi Shockley-Read-Hall (SRH) diatur menjadi 1,5 ns untuk semua lapisan kecuali lapisan p-tipe yang disisipkan sebagai 1 ns karena umur SRH bergantung pada tingkat dop [29]. Kerugian internal adalah 2000 m⁻¹ [30]. Parameter busur b adalah 1 eV, dan rasio offset band diasumsikan 0,7/0.3 untuk material AlGaN [31]. Koefisien rekombinasi Auger diatur menjadi 1 × 10⁻³⁰ cm⁶/s untuk menyesuaikan eksperimen [32]. Dalam simulasi ini, muatan interface bawaan yang timbul dari polarisasi spontan dan piezoelektrik dihitung berdasarkan metode yang diusulkan oleh Fiorentini et al. [33]. Selain itu, dengan mempertimbangkan penyaringan oleh defek, densitas muatan permukaan diasumsikan 40 % dari nilai yang dihitung [34].
Hasil dan Pembahasan
Karena keempat sampel memiliki templat AlN dan AlGaN n-tipe yang identik, kualitas kristal sampel A, B, C, dan D diukur oleh difraksi X-ray resolusi tinggi (HR-XRD). Seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 1, kurva goyakan X-ray (XRC) sepanjang bidang simetri (002) dan bidang asimetri (102) untuk kedua lapisan dilakukan. Hasilnya menunjukkan bahwa FWHM XRC dan densitas perecahan threaded (TDD) dari keempat sampel hampir sama, yang menunjukkan bahwa kualitas kristal bukan alasan utama dari peningkatan performa perangkat. Selain itu, dapat ditemukan bahwa TDD dalam lapisan AlGaN lebih tinggi daripada dalam lapisan AlN, yang timbul dari properti kristal campuran, defek interface, dan impuritas didop Si [35]. Menurut penelitian Ban et al. tentang korelasi antara IQE dan TDD, IQE untuk semua sampel dalam karya ini sekitar 30–40 % [36].
Untuk mengonfirmasi pertumbuhan struktur baru yang berhasil, kami melakukan pengukuran mikroskop transmisi elektron cakangan cahaya (BF-STEM) untuk sampel B tipis sebagai perwakilan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2. Terlihat bahwa TDD menurun selama seluruh proses pertumbuhan AlN tebal 2,7 μm dalam Gambar 2a. Gambar 2b menunjukkan periodisitas yang baik dan lapisan hampir 1-nm tebal dalam setiap periode SEDL. Selain itu, lima periode kuil kuantum ganda dengan antarmuka yang jelas dikenali dalam Gambar 2c, yang barisnya tebal 14 nm dan kuilnya sekitar 2,1 nm.
Karakterisasi morfologi sampel B tipis. a Citra STEM cakangan cahaya templat AlN. b Citra STEM cakangan cahaya di wilayah 20 periode SEDL. c Citra STEM cakangan cahaya di wilayah aktif
Untuk menyelidiki performa perangkat, chip LED DUV diikat eutetik pada substrat keramik AlN untuk meminimalkan efek pemanasan. Kemudian, substrat dipasang pada plat aluminium heksagonal dengan pasta solder. Kemudian, pengukuran listrik dan optik dilakukan, menggunakan Sistem Analisis Fotoelektrik ATA-1000 yang dilengkapi dengan bola integrasi diameter 30 cm [37]. Gambar 3a menunjukkan variasi daya keluaran cahaya (LOP) terhadap arus injeksi. LOPs sampel D dengan SEDL Al-konten naik 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 konvensional A tanpa SEDL. Ini menunjukkan bahwa SEDL bermanfaat untuk menekan kebocoran elektron dan injeksi lubang. Sementara itu, sedikit saturasi LOP dapat diamati untuk keempat sampel, saat beroperasi pada bias tinggi, yang terkait dengan efek pemanasan dan rekombinasi Auger [38]. EQE terhadap arus injeksi digambarkan dalam Gambar 3b. EQE maksimum adalah 3,43 % pada 40 mA untuk sampel D, sementara EQE mencapai puncak hanya 1,17 % untuk sampel A. Sementara itu, LOP dan EQE sampel D dengan SEDL Al-konten naik lebih tinggi daripada sampel B dengan SEDL seragam dan Al-konten menurun, yang menunjukkan rekombinasi radiatif yang lebih efisien dalam sampel D. Karakteristik arus-tegangan yang diukur untuk semua sampel ditunjukkan dalam Gambar 3c. Dapat dikenali bahwa penyisipan SEDL meningkatkan tegangan operasional dari 5,13 V pada 40 mA untuk sampel A menjadi 7,09 V pada 40 mA untuk sampel B, karena peningkatan resistensi SEDL komposisi Al tinggi. Selain itu, dapat dilihat bahwa tegangan operasional lebih rendah untuk sampel C dan D daripada sampel B. Menurut desain struktur dan pengukuran transmisi untuk sampel satu lapis, komposisi Al rata-rata baris SEDL sampel C dan D adalah 62,5 % sementara untuk sampel B adalah 65 %. Konten Al yang lebih tinggi mengakibatkan efisiensi dop yang lebih rendah dan resistensi yang lebih tinggi, yang mengakibatkan peningkatan tegangan operasional. Layak disebutkan bahwa tegangan sampel D adalah 6,4 V pada 40 mA, yang menghasilkan efisiensi colok-kontak (WPE) maksimum sebesar 2,41 %. Spektra elektroluminesensi pada 10 mA ditunjukkan dalam Gambar 3d. Puncak emisi keempat sampel semuanya sekitar 275 nm, dan tren intensitas puncak sama dengan LOP. Ini juga menunjukkan bahwa SEDL di-cirp Al-konten naik tersedia untuk peningkatan performa perangkat LED DUV.
Karakteristik listrik dan optik sampel dengan SEDL yang 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 operasional. d Spektra EL semua sampel pada arus injeksi 10 mA, puncak emisi mereka sekitar 275 nm
Untuk menyelidiki mekanisme yang bertanggung jawab terhadap peningkatan ini, simulasi teoretis dilakukan oleh program APSYS dan hasilnya ditampilkan dalam Gambar 4. Kepadatan arus elektron dan kepadatan arus lubang di dekat wilayah aktif pada 200 mA dihitung dalam Gambar 4a dan b. Dapat ditemukan bahwa kepadatan arus injeksi elektron sampel dengan SEDL sedikit lebih rendah daripada sampel A tanpa SEDL, sementara situasinya terbalik untuk kepadatan arus injeksi lubang, yang menunjukkan bahwa SEDL mampu mengebrak elektron dari lapisan injeksi elektron AlGaN n-tipe dan mempromosikan injeksi lubang sesuai. Laju rekombinasi radiatif untuk semua sampel dihitung dalam Gambar 4c. Dengan penyisipan SEDL yang berbeda, laju rekombinasi radiatif di kuil kuantum dekat lapisan n-tipe jelas meningkat. Sementara itu, dari sampel A hingga sampel D, laju rekombinasi radiatif di lima kuil kuantum secara bertahap menjadi seragam, yang hampir sama untuk sampel D dengan SEDL di-cirp Al-konten naik. Ini menunjukkan lebih lanjut bahwa SEDL dapat menyeimbangkan injeksi pembawa elektron dan lubang ke wilayah aktif dan mempromosikan rekombinasi radiatif di beberapa kuil kuantum pertama dekat lapisan n-tipe pada saat yang sama. Akibatnya, IQE untuk keempat sampel disimulasikan dan digambarkan dalam Gambar 4d. IQE sampel D adalah yang tertinggi, yang konsisten dengan EQE dalam Gambar 4b. Yang lebih penting, penurunan efisiensi dalam sampel dengan SEDL ditingkatkan secara signifikan. Dalam seluruh rentang arus injeksi, penurunan efisiensi adalah 70,33 %, 59,79 %, 48,93 %, dan 36,26 % untuk sampel A, B, C, dan D, masing-masing, yang didefinisikan sebagai penurunan efisiensi = (IQE_max − IQE_250 mA)/IQE_max. Penurunan efisiensi secara umum dianggap disebabkan oleh kebocoran elektron dan injeksi lubang yang tidak cukup [39]. Peningkatan penurunan efisiensi menjelaskan bahwa SEDL dapat menyeimbangkan transportasi pembawa ke wilayah aktif dan mempromosikan rekombinasi radiatif di kuil kuantum, yang pada akhirnya meningkatkan performa perangkat.
Simulasi dan analisis teoretis. a Kepadatan arus elektron di wilayah aktif pada arus injeksi 200 mA. b Kepadatan arus lubang di wilayah aktif pada arus injeksi 200 mA. c Laju rekombinasi radiatif di kuil kuantum ganda pada arus injeksi 200 mA. d Ketergantungan IQE yang dihitung pada arus injeksi
Umur perangkat diukur pada 20 mA dan suhu kamar. Untuk setiap sampel, untuk memastikan akurasi hasil, 10 chip dipilih secara acak dan rata-rata LOP relatif dari mereka pada waktu stres yang berbeda digambarkan dalam Gambar 5. Seperti yang ditunjukkan, dibandingkan dengan sampel A, umur sampel dengan SEDL jelas diperpanjang. Degradasi perangkat LED sebagian terkait dengan akumulasi defek, saluran konduktif ohmik, dan injeksi pembawa yang kurang [40]. Peningkatan umur lebih memverifikasi bahwa SEDL dapat menyeimbangkan transportasi elektron dan lubang dan mempromosikan injeksi pembawa ke wilayah aktif. Selain itu, umur operasi rata-rata untuk sampel D dengan SEDL di-cirp Al-konten naik lebih dari 10.000 jam pada L50, yang cukup untuk aplikasi praktis.
LOP relatif sebagai fungsi 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. Umur sampel D dengan SEDL di-cirp Al-konten naik lebih dari 10.000 jam pada L50
Kesimpulan
Efek lapisan pengebrak elektron superjaring di-cirp pada LED DUV diteliti secara eksperimental dan numerik. Hasilnya menunjukkan bahwa SEDL di-cirp mampu menyeimbangkan injeksi elektron dan lubang ke wilayah aktif, yang mempromosikan rekombinasi radiatif di beberapa kuil kuantum pertama dekat lapisan n-tipe. Peningkatan rekombinasi radiatif lebih lanjut mengakibatkan peningkatan performa perangkat LED DUV. LED DUV AlGaN telah dibuat menjadi chip 762 × 762 μm², yang menunjukkan emisi puncak tunggal pada 275 nm. Efisiensi kuantum eksternal 3,43 % dan tegangan operasional 6,4 V diukur pada arus maju 40 mA, yang menunjukkan bahwa efisiensi colok-kontak adalah 2,41 % dari LED DUV dengan SEDL di-cirp Al-konten naik. Umur LED DUV dengan SEDL di-cirp Al-konten naik diukur lebih dari 10.000 jam pada L50, karena promosi injeksi pembawa. Peningkatan lebih lanjut dapat diharapkan dengan memperkenalkan pelepasan laser, permukaan kasar, elektroda reflektor, dan kapsulasi. Secara umum, LED DUV yang dirancang dengan SEDL di-cirp menunjukkan properti listrik yang memuaskan, performa optik yang menguntungkan, dan keandalan yang diinginkan, yang menjanjikan untuk pemurnian air dan sterilasi permukaan yang berkinerja tinggi.
