Diodes émettant de la lumière ultraviolette à base d'AlGaN presque efficace et sans chute avec une couche de blocage d'électrons de type p à super-réseau spécialement conçue pour une efficacité de dopage élevée en magnésium

Contexte

Les faisceaux ultraviolets dans le régime de longueur d'onde de 200 nm ~ 280 nm ont trouvé des applications potentielles dans le système de purification de l'eau [1, 2]. Compte tenu de la faible tension de commande CC et de la plus grande compatibilité avec le système de purification de l'eau, les diodes électroluminescentes ultraviolettes profondes (LED DUV) à base d'AlGaN sont sélectionnées comme l'excellent candidat. Il convient de mentionner que le traitement de l'eau avec un grand volume nécessite que le système de purification fournisse la source de lumière UVC à haute puissance. Cependant, l'efficacité quantique externe (EQE) pour les LED DUV à base d'AlGaN avec une longueur d'onde d'émission inférieure à 280 nm n'est pas satisfaite pour le moment [3]. Le principal facteur limitant pour le faible EQE provient en partie de la grande densité de dislocations de filetage (TDD) dans les puits quantiques riches en Al [2, 3]. L'efficacité quantique interne (IQE) diminue rapidement une fois que le TDD est de l'ordre de 10 ⁹ cm ⁻² [3]. Même si le TDD est réduit de l'ordre de 10 ⁸ cm ⁻² qui peut permettre l'IQE de 60 à 80 %, l'effet du statisme d'efficacité peut amener l'EQE à être inférieur à 5 % pour les LED UVC nues lorsque la densité de courant d'injection dépasse 80 A/cm ² [4]. Notez que l'efficacité d'extraction de la lumière (LEE) pour les puces LED UVC nues est d'environ 10 % selon les calculs du FDTD [5]. L'une des principales interprétations du statisme d'efficacité des LED à base de nitrure III est le débordement d'électrons dans la couche d'injection de trous de type p [6]. La couche d'injection de trous de type p en AlGaN riche en Al possède une concentration en trous libres encore inférieure à 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ [7], tendant à provoquer un niveau de fuite d'électrons plus important. Mehnke et al. ont mesuré l'émission parasite qui a lieu dans la couche d'injection de trous de type p et l'émission parasite est bien attribuée à la fuite d'électrons [8]. Pour réduire l'échappement d'électrons des puits quantiques multiples (MQW), on peut augmenter le taux de capture d'électrons en insérant des couches à pointes uniques dans les barrières quantiques [9]. Les couches à pointes possèdent une composition en Al supérieure à la barrière quantique, de sorte que le champ électrique induit par la polarisation dans les couches à pointes peut bien réduire la vitesse de dérive des électrons. L'efficacité de capture améliorée n'est donc activée que si la LED DUV est développée le long de l'orientation [0001]. Une autre méthode efficace pour améliorer le taux de capture d'électrons consiste à augmenter le décalage de bande de conduction entre la barrière quantique et le puits quantique, ce qui peut être réalisé en augmentant correctement la composition d'Al [10], tandis que l'architecture de la barrière quantique peut être encore évoluée en ayant la composition en Al graduée [11]. Comme cela a été mentionné précédemment, la concentration de trous libres pour la couche d'injection de trous en AlGaN de type p riche en Al est faible, ce qui entraîne une faible capacité d'injection de trous dans la région MQW. La mauvaise injection de trous est également considérée comme la cause de la fuite d'électrons [12]. Une méthode prometteuse pour augmenter l'émission thermoionique des trous à travers la couche de blocage d'électrons de type p (p-EBL) consiste à alimenter les trous en adoptant le réservoir de champ électrique [13]. Le transport des trous peut également être favorisé si la couche d'injection de trous à base de p-AlGaN avec la composition d'Al en escalier est utilisée pour les LED DUV [14]. La composition d'Al en escalier peut être remplacée par la composition d'Al gradué pour la couche d'AlGaN afin d'améliorer la concentration des trous [15,16,17]. Outre l'ingénierie de la couche d'injection de trous, des p-EBL alternatifs ont également été suggérés pour réduire l'effet de blocage des trous, par exemple en insérant une fine couche d'AlGaN avec une composition en Al plus faible [18]. Une structure très importante pour le candidat p-EBL est le super-réseau p-EBL. D'énormes efforts de recherche ont été déployés pour explorer l'impact du super-réseau GaN/AlGaN pour les LED bleues à base de GaN [19,20,21]. Néanmoins, l'AlGaN p-EBL pour les LED bleues a une composition en AlN inférieure à 20 %, ce qui rend l'effet de blocage des trous pour les LED bleues moins sévère que celui des LED DUV. Par conséquent, l'amélioration de l'EQE est inférieure à 20 % et le statisme d'efficacité est toujours évident même si le super-réseau GaN/AlGaN p-EBL est adopté pour les LED bleues. Les LED DUV utilisent des p-EBL riches en Al, ce qui pose un problème d'injection de trous encore plus difficile [1]. Pour résoudre l'effet de blocage des trous causé par le p-EBL riche en Al, le super-réseau p-EBL est également suggéré pour les LED DUV, par exemple, le super-réseau AlInGaN/AlGaN p-EBL [22] et le super-réseau AlGaN/AlGaN p-EBL [23]. Cependant, la preuve expérimentale du super-réseau p-EBL qui aide à obtenir une EQE élevée et presque sans statisme manque pour les LED DUV à ce stade. Par conséquent, ce travail démontre expérimentalement l'efficacité d'un super-réseau AlGaN/AlGaN spécialement conçu pour améliorer l'EQE et supprimer de manière significative le statisme d'efficacité pour les LED DUV. L'EQE amélioré est bien attribué à l'injection de trous améliorée dans la région MQW tandis que le niveau de fuite d'électrons réduit aide à supprimer remarquablement le statisme d'efficacité. Le mécanisme détaillé sera présenté ultérieurement dans cet ouvrage.

Méthodes/Expérimental

Les deux architectures LED DUV (LED A et B comme illustré à la Fig. 1) dans ce travail sont développées sur le modèle AlN par un système de dépôt chimique en phase vapeur métal-organique (MOCVD). La matrice AIN de 4 µm d'épaisseur est cultivée sur le substrat de saphir orienté [0001] en utilisant la méthode d'épitaxie en phase vapeur d'hydrure (HVPE). Nous cultivons AlN/Al_0,50 sur 20 périodes Ga_0,50 N super-réseau sur le modèle AlN, qui sert de couche de soulagement des contraintes pour la couche épi développée par la suite. Un n-Al_0,60 de 2 μm d'épaisseur Ga_0.40 Couche N ayant une concentration en électrons de 1 x 10 ¹⁸ cm ⁻³ est cultivé pour fournir des électrons. Les photons DUV sont générés par Al_0,45 à cinq périodes Ga_0,55 S/O_0,56 Ga_0.44 N MQW qui ont 3 nm d'épaisseur Al_0,45 Ga_0,55 N puits quantiques et Al_0,56 12 nm d'épaisseur Ga_0.44 N barrières quantiques. Les MQW sont ensuite coiffés par un p-EBL à base d'AlGaN de 10 nm d'épaisseur. Dans notre expérience, nous concevons et cultivons deux types de p-EBL pour les LED A et B, respectivement. La LED A possède un Al_0,60 Ga_0.40 Le p-EBL basé sur N et la LED B ont un Al_0,45 à cinq périodes de 1 nm Ga_0,55 Al N/1 nm_0,60 Ga_0.40 p-EBL basé sur N. Notez que notre boucle p-EBL de super-réseau commence à partir de Al_0.45 Ga_0,55 N couche mince après croissance du dernier Al_0,56 Ga_0.44 N barrière quantique. Ce faisant, l'interface de la dernière barrière quantique/superréseau p-EBL est polarisée en produisant des charges de feuille induites par une polarisation négative, ce qui contribue à épuiser l'accumulation d'électrons dans la dernière barrière quantique et supprime davantage la fuite d'électrons. Le p-EBL est ensuite suivi d'un p-Al à 50 nm_0.40 Ga_0,60 Fournisseur de trous p-GaN N/50 nm. Enfin, la couche de p-GaN est recouverte d'un p ⁺ fortement dopé au Mg de 10 nm d'épaisseur -Couche GaN. Les plaquettes LED DUV sont recuites thermiquement in situ à la température de 800 °C dans le N₂ ambiante pendant 15 min pour séparer les liaisons H-Mg. La concentration des trous est alors estimée à environ 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ et 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ pour la couche p-AlGaN riche en Al et la couche p-GaN, respectivement.

Structures architecturales schématiques des LED étudiées. Les diagrammes de bande d'énergie esquissés pour les deux p-EBL sont également fournis :la LED A a le p-Al_0,60 Ga_0.40 EBL basé sur N et LED B a le p-Al_0.45 Ga_0,55 S/O_0.60 Ga_0.40 N superréseau EBL. Le p-Al_0.45 Ga_0,55 S/O_0.60 Ga_0.40 Le super-réseau N EBL est spécifiquement conçu de telle sorte qu'il initie le fin p-Al_0.45 Ga_0,55 N couche de sorte que l'interface pour le p-Al_0.45 Ga_0,55 S/O_0,56 Ga_0.44 La dernière barrière quantique possède des charges d'interface de polarisation négative. E signifie niveau d'énergie.

Les plaquettes LED DUV sont fabriquées en puces LED DUV en suivant un processus de micro-fabrication standard. La mesa est obtenue en effectuant une gravure au plasma à couplage inductif (ICP) et la taille de la mesa est de 650 × 320 μm ² . Un empilement métallique Ti/Al est déposé sur le n-Al_0,60 Ga_0.40 N couche, qui est ensuite recuit en N₂ pendant 1 min à la température de 900 °C. Un étalement de courant Ni/Au est appliqué sur la surface de la mesa puis recuit dans O₂ pendant 5 min à la température de 550 °C. Enfin, nous déposons simultanément des métaux Ti/Al/Ni/Au sur l'alliage Ti/Al et la couche d'étalement de courant Ni/Au servant respectivement d'électrode n et d'électrode p réfléchissante. Les puces LED DUV sont des dispositifs flip-chip, et les photons DUV sont collectés du côté du saphir par une sphère d'intégration.

Pour mieux révéler l'origine en profondeur de l'EQE améliorée et du statisme d'efficacité supprimé, des calculs numériques sont effectués à l'aide du package APSYS [13, 18]. Les paramètres physiques importants qui sont utilisés pour calculer les événements de recombinaison de porteuse et la perte de porteuse comprennent la durée de vie de la recombinaison Shockley-Read-Hall (SRH), le coefficient de recombinaison Auger, le rapport de décalage de bande d'énergie pour les interfaces AlGaN/AlGaN et le niveau de polarisation pour [0001 Structures de nitrure III orientées ], qui sont définies sur 10 ns, 1 × 10 ⁻³⁰ cm ⁶ s ⁻¹ , 50:50 et 40 %, respectivement [13, 18]. Le LEE est réglé sur 10 % pour les puces LED DUV nues avec une couche p-GaN absorbante de 50 nm d'épaisseur [5].

Résultats et discussions

Les spectres d'électroluminescence (EL) mesurés expérimentalement à un niveau de densité de courant différent pour les LED A et B sont présentés sur la figure 2a. Les spectres EL sont collectés à l'état pulsé avec un rapport cyclique de 0,1% pour éviter l'effet d'auto-échauffement. La figure 2a montre que la longueur d'onde d'émission maximale pour les deux appareils LED DUV est d'environ  270 nm. La longueur d'onde d'émission de crête est stable dans la plage de courant testée en raison de l'élimination de l'effet d'auto-échauffement. L'intensité EL de la LED B est plus forte que celle de la LED A. La figure 2b montre la puissance optique et l'EQE en fonction de la densité de courant d'injection, ce qui montre que l'EQE est amélioré d'environ 90 %. De plus, les niveaux de statisme d'efficacité sont de ~ 24 et ~ 4 % pour les LED A et B au niveau de densité de courant de 110 A/cm ² , respectivement [statisme = (EQE _max − EEQ _J )/EEQ _max , dans laquelle EEQ _max et EEQ _J désignent l'EQE maximum et l'EQE à la densité de courant de J ]. La figure 2c présente la densité de puissance optique calculée numériquement et l'EQE en termes de densité de courant d'injection. Les résultats calculés numériquement et ceux mesurés expérimentalement concordent bien les uns avec les autres, de sorte que la LED B montre l'EQE amélioré et un niveau de statisme d'efficacité considérablement réduit. L'accord entre les Fig. 2b et 2c valide bien les modèles physiques et les paramètres que nous avons définis pour les calculs.

un Spectres EL mesurés à la densité de courant de 10, 30, 50 et 70 A/cm ² . b Puissance optique mesurée et EQE. c Puissance optique calculée et EQE pour les LED A et B, respectivement

Les deux LED DUV ne diffèrent l'une de l'autre que par le p-EBL. Par conséquent, il est nécessaire d'étudier le rôle du super-réseau p-EBL dans l'amélioration des performances optiques de la LED B. La figure 3a présente les profils de concentration de trous dans la région MQW pour les LED A et B à la densité de courant de 50 A/cm ² . Il est montré que le niveau de concentration de trous dans les MQW pour la LED B est plus élevé que celui pour la LED A. Comme cela a été rapporté, le p-EBL réduit le niveau de fuite d'électrons tout en empêchant simultanément l'injection de trous [24]. Une approche utile pour réduire l'effet de blocage des trous consiste à augmenter la concentration de trous dans la région p-EBL, ce qui aide ensuite à diminuer la hauteur de barrière de la bande de valence [25]. La figure 3b montre ensuite les niveaux de concentration des trous dans les p-EBL et le p-Al_0,40 Ga_0,60 N couches pour les LED A et B à la densité de courant de 50 A/cm ² . La concentration moyenne de trous dans le super-réseau p-EBL pour la LED B est beaucoup plus élevée que celle pour la LED A de deux ordres de grandeur. La plus grande concentration de trous dans le super-réseau p-EBL est bien attribuée à l'excellent transport des trous. Fait intéressant, si nous examinons plus en détail la figure 3b, nous constatons que la concentration de trous au niveau p-EBL/p-Al_0.40 Ga_0,60 L'interface N devient plus faible pour la LED A, ce qui reflète également l'efficacité d'injection de trous plus douce grâce au super-réseau p-EBL pour la LED B.

Profils de concentration de trous calculés numériquement a dans les MQW et b dans les couches d'injection de trous de type p pour les LED A et B, respectivement ; c spectres EL mesurés expérimentalement à l'échelle semi-logarithmique à la densité de courant de 10, 30, 50 et 70 A/cm ² pour les LED A et B, respectivement ; d niveaux de concentration d'électrons calculés numériquement dans les couches d'injection de trous de type p pour les LED A et B. Les données calculées numériquement sont collectées à la densité de courant de 50 A/cm ²

Comme cela a été mentionné précédemment, l'efficacité des LED est étroitement associée au niveau de fuite d'électrons. Par conséquent, nous montrons les spectres EL mesurés pour les LED A et B dans une échelle semi-logarithmique (voir Fig. 3c) pour indiquer les informations détaillées concernant la luminescence parasite. La longueur d'onde d'émission maximale pour la luminescence parasite est centrée à ~ 425 nm, ce qui peut provenir des niveaux profonds associés aux dopants Mg [26]. L'intensité de la luminescence parasite de la LED B est plus forte que celle de la LED A, et il est supposé que davantage de porteurs se recombinent aux niveaux profonds. Dans notre expérience, les couches d'injection de trous de type p pour les deux architectures LED DUV ne sont pas conçues et le niveau de concentration de trous dans les couches d'injection de trous doit être similaire. Par conséquent, il est identifié que les électrons qui s'échappent de la région MQW possèdent une concentration plus élevée dans la couche d'injection de trous pour la LED B que ceux pour la LED A. Nos suggestions sont également étayées par la Fig. 3d qui montre les profils de concentration électronique dans le p- type couches d'injection de trous pour LED A et B à la densité de courant de 50 A/cm ² . Cela signifie également que le courant de fuite d'électrons a été considérablement réduit grâce au super-réseau p-EBL pour LED B.

Nous présentons ensuite les profils calculés du taux de recombinaison radiative pour les LED A et B de la Fig. 4 qui sont collectés au niveau de densité de courant de 50 A/cm ² . On en déduit que le taux de recombinaison radiative de la LED B est plus élevé que celui de la LED A grâce au super-réseau p-EBL proposé, qui favorise encore plus l'injection de trous dans la région MQW et supprime le niveau de fuite d'électrons dans l'intervalle.

Profils calculés numériquement du taux de recombinaison radiative pour les LED A et B. Les données sont collectées au niveau de densité actuel de 50 A/cm ²

Les figures 5a et 5b montrent la bande d'énergie à proximité des p-EBL pour les deux appareils LED DUV. Les bandes d'énergie sont calculées à la densité de courant de 50 A/cm ² . Comme cela a été rapporté par Zhang et al. [27], la forte polarisation induite des charges positives au niveau de la dernière interface barrière quantique/p-EBL peut attirer de manière significative les électrons, donnant lieu à une concentration locale élevée en électrons. La concentration locale élevée d'électrons peut réduire la hauteur effective de la barrière de bande de conduction (Ø _e ) pour le p-EBL qui est ~ 295 meV pour la LED A. Si le p-EBL à base d'AlGaN en vrac est remplacé par le super-réseau p-EBL spécifique dans ce travail (c'est-à-dire que la boucle p-EBL du super-réseau commence à partir de la fine couche d'AlGaN avec une bande interdite énergétique plus petite que la dernière barrière quantique en AlGaN), la bande de conduction de la dernière barrière quantique est inclinée vers le haut (voir Fig. 5b), ce qui favorise un épuisement des électrons dans la dernière barrière quantique qui augmente alors le Ø _e à ~ 391 meV et permet une plus petite fuite d'électrons au moyen d'une émission thermoionique [28]. De plus, le super-réseau p-EBL facilite le processus d'effet tunnel intra-bande pour les trous, de sorte que la concentration de trous dans le p-EBL devient également plus élevée (voir Fig. 3b) La concentration de trous améliorée dans le p-EBL pour les LED tend à réduire la hauteur effective de barrière de la bande de valence (Ø _h ) [25], c'est-à-dire les valeurs de Ø _h sont ~ 324 meV et ~ 281 meV pour les LED A et B, respectivement à la densité de courant de 50 A/cm ² . Le Ø encore plus petit _h pour la LED B favorise à son tour l'émission thermoionique pour les trous. Il convient de noter que le super-réseau p-EBL peut également provoquer l'effet tunnel intrabande pour les électrons. Heureusement, l'amélioration de la concentration des trous dans le MQW permet de mieux consommer les électrons par recombinaison radiative, ce qui contribue également à atténuer les fuites d'électrons [12]. En raison de l'injection de trous plus favorisée et du courant de recombinaison encore plus fort produit par le processus de recombinaison radiative ayant lieu dans la région MQW, la tension directe devient plus petite pour la LED B que celle pour la LED A selon la Fig. 5c.

Profils de bandes d'énergie calculés numériquement au voisinage de a p-EBL en vrac à base d'AlGaN pour LED A, b superréseau p-EBL pour LED B et c densité de courant mesurée en termes de polarisation appliquée pour les LED A et B. Données pour a et b sont calculés à la densité de courant de 50 A/cm ² . E _C , E_V , Ø _e , et Ø _h désignent respectivement la bande de conduction, la bande de valence et les hauteurs de barrière effectives pour la bande de conduction et la bande de valence

Conclusions

Pour résumer, ce travail a signalé un p-EBL de super-réseau spécifique pour les LED DUV, qui peut maintenir à la fois l'efficacité d'injection de trous favorisée et la diminution des fuites d'électrons dans la couche d'injection de trous de type p passive. Par conséquent, à la fois numériquement et expérimentalement, l'EQE amélioré et le statisme d'efficacité remarquablement supprimé sont obtenus. Nous croyons fermement que la structure LED DUV proposée est très prometteuse pour la réalisation de LED DUV à haute efficacité et la physique des dispositifs révélée par ce travail introduit une meilleure compréhension de la communauté optoélectronique basée sur le nitrure III.

Abréviations

APSYS :

Modèles physiques avancés de dispositifs à semi-conducteurs

DUV :

Diodes émettrices de lumière ultraviolette profonde

EL :

Électroluminescence

EQE :

Efficacité quantique externe

HVPE :

Epitaxie en phase vapeur d'hydrure

ICP :

Plasma à couplage inductif

IQE :

Efficacité quantique interne

LEE :

Efficacité d'extraction de la lumière

MOCVD :

Dépôt chimique en phase vapeur métal-organique

MQW :

Puits quantiques multiples

p-EBL :

couche de blocage d'électrons de type p

TDD :

densité de dislocation de filetage