Influence de la largeur du puits quantique sur les propriétés d'électroluminescence des diodes électroluminescentes ultraviolettes profondes AlGaN à différentes températures

Contexte

Les diodes électroluminescentes ultraviolettes profondes (LED DUV) à base d'AlGaN peuvent être largement utilisées dans les domaines de l'éclairage à semi-conducteurs, de la médecine, de la biochimie, etc. Par conséquent, de plus en plus d'efforts ont été consacrés à l'amélioration de la qualité cristalline des matériaux [1,2,3,4], des techniques de dopage de type p et de l'optimisation des structures des dispositifs [5,6,7,8, 9]. Miyake et al. ont démontré que la qualité du cristal d'AlN peut être améliorée de manière significative par un recuit à haute température [3]. En augmentant la température de croissance, Sun et al. obtenu des couches épaisses d'AlN de haute qualité sur saphir [2]. Récemment, Jiang et al. ont étudié l'évolution des défauts dans la croissance homéoépitaxiale d'AlN [1]. Leurs résultats ont contribué à la compréhension du mécanisme d'homépitaxie de l'AlN et ont fourni les techniques essentielles pour améliorer la qualité des cristaux. De plus, de nombreuses méthodes ont été proposées pour améliorer l'extraction de la lumière, telles que les cristaux photoniques et les nanostructures et le plasmon de surface [10,11,12]. Au cours des dernières décennies, un grand progrès a été obtenu pour ce type de LED, qui a été globalement examiné par Li et al. [13]. Néanmoins, les performances des dispositifs sont encore loin de l'application pratique en raison de la faible efficacité quantique externe. Il est bien connu que les nitrures du groupe III ont des structures de wurtzite, dans lesquelles les grands champs spontanés et piézoélectriques se traduiront par le diagramme de bande inclinée. Ces bandes inclinées ont eu une grande influence sur les dispositifs à base de nitrure de groupe III, tels que les détecteurs LED, LD [14, 15] et UV [16, 17]. Hirayama et al. ont rapporté l'influence de la largeur du puits quantique (QW) sur les propriétés de photoluminescence (PL) dans les LED DV à QW unique à base d'AlGaN [18]. Ils ont constaté que les LED avec une largeur QW de 1,5 à 1,7 nm présentaient une luminescence plus élevée et que l'intensité PL diminuait lorsque la largeur QW était inférieure à 1,5 nm, ce qui était attribué à une augmentation de la recombinaison non radiative sur les hétérointerfaces. Dans ce travail, nous avons fabriqué des LED DUV avec différentes largeurs de puits quantiques (QW) et étudié l'influence de la largeur de QW et de la température sur les propriétés d'électroluminescence (EL). Nous avons trouvé que les LED avec une largeur QW de 3,5 nm présentaient l'efficacité quantique externe maximale (EQE) la plus élevée. Au fur et à mesure que la température diminuait, le courant pour l'EQE maximum diminuait pour toutes les LED, ce qui était censé être dû à la diminution de la concentration de trous et à l'augmentation du courant d'électrons débordé.

Méthodes

Les LED ont été développées par dépôt chimique en phase vapeur métal-organique sur un substrat de saphir (0001) en utilisant une couche tampon d'AlN de 1,0 μm suivie d'une couche d'Al non dopé de 0,5 μm d'épaisseur_0,6 Ga_0.4 N et un n-Al de 1,0 μm d'épaisseur_0,6 Ga_0.4 N modèle. La densité de luxation du gabarit est d'environ 6 × 10 ⁹ cm ^− 2 mesuré par microscopie électronique à transmission. Puis Al_0.49 Ga_0,51 S/O_0,58 Ga_0.42 N QW multiples (MQW) ont été cultivés en tant que régions actives. L'épaisseur des barrières était de 5,0 nm. p-Al_0.3 Ga_0.7 N (25 nm)/Al_0,6 Ga_0.4 N (25 nm) a été utilisé comme couches de type p. Enfin, une couche de contact p-GaN de 200 nm a été déposée. Sur la base de la structure ci-dessus, trois échantillons, nommés LED A, B et C, ont été cultivés avec une largeur QW de 2,0, 3,5 et 5,0 nm, respectivement.

Géométrie carrée 500 μm × 500 μm p -n les dispositifs de jonction ont été fabriqués à l'aide de techniques lithographiques standard pour définir la caractéristique et la gravure ionique réactive pour exposer le n -Al_0.6 Ga_0.4 N Couche de contact ohmique. Des contacts ohmiques de type n de Ti/Al/Ni/Au (15/80/12/60 nm) ont été déposés par évaporation par faisceau d'électrons et recuits avec un système de recuit thermique rapide à 900 °C pendant 30 s dans une atmosphère d'azote. Pour des p transparents -contacts, les couches Ni/Au (6/12 nm) ont été déposées par faisceau d'électrons et recuites dans l'air ambiant à 600 °C pendant 3 min. Le dispositif a été complété par le dépôt de Ni/Au (5/60 nm) p prendre contact. Le spectre EL a été mesuré de 5 K à la température ambiante (RT) à l'aide du détecteur de dispositif à couplage de charge refroidi à l'azote liquide Symphony de Jonin Yvon. Pour éviter l'influence de l'effet de chauffage thermique [19], l'injection d'impulsions avec une impulsion de courant de 1 μs à 0,5 % a été utilisée dans les mesures EL.

Résultats et discussion

La figure 1a montre les spectres EL mesurés à température ambiante (RT) pour les LED A, B et C sous un courant continu de 100 mA, dans lequel tous les spectres ont été normalisés par rapport à l'émission de bande à bande. Les pics EL pour les LED A, B et C étaient respectivement d'environ 261, 265 et 268 nm. De toute évidence, le pic EL montrait un décalage vers le rouge à mesure que la largeur QW augmentait. De plus, il convient de noter qu'un faible pic parasite autour de 304 nm existait dans le spectre EL de la LED A, qui a été clarifié comme étant lié au débordement d'électrons [20]. La figure 1b montre l'EQE relative en fonction du courant d'impulsion pour toutes les LED. Toutes les valeurs ont été normalisées à l'EQE maximum de la LED B. L'EQE maximum de la LED B était d'environ 6,8 et 4,8 fois celui des LED A et C, respectivement.

un Les spectres RT EL pour les LED A, B et C sous un courant continu de 100 mA. Tous les spectres ont été normalisés à l'émission de bande à bande. b L'EQE relative en fonction du courant d'impulsion

Afin de comprendre la raison, APSYS a été utilisé pour simuler les niveaux d'énergie et les fonctions d'onde des porteurs. La figure 2a–c montre les structures de bande, le niveau de l'état fondamental et les fonctions d'onde porteuse dans un QW sous un courant de 100 mA pour les LED A, B et C, respectivement. En raison du grand champ interne induit par l'effet de polarisation et de la polarisation directe appliquée, la structure de bande de QW a montré une forme inclinée et le chevauchement spatial des fonctions d'onde des électrons et des trous est devenu moindre à mesure que la largeur de QW a augmenté en raison du confinement quantique Effet Stark (QCSE). L'écart énergétique des états fondamentaux pour les LED A, B et C était de 4,733, 4,669 et 4,637 eV, respectivement, ce qui coïncidait bien avec la longueur d'onde d'émission, comme le montre la figure 1a. De plus, il convient de noter que la capacité confinée des porteurs par les QW diminuait à mesure que la largeur QW diminuait. L'effet de confinement quantique a entraîné l'augmentation du niveau de l'état fondamental à mesure que la largeur QW diminuait. Les valeurs de hauteur de barrière étaient de 0,030, 0,057 et 0,069 eV pour les LED A, B et C, respectivement. Par conséquent, l'EQE de la LED A était inférieur à celui de la LED B en raison du débordement du courant d'électrons, ce qui a pu être confirmé par le pic parasite évident illustré à la Fig. 1a. Bien que la LED C ait la barrière la plus élevée pour le débordement d'électrons dans tous les appareils, son EQE était toujours inférieur à celui de la LED B en raison du QCSE.

La structure de la bande, le niveau de l'état fondamental et les fonctions d'onde porteuse dans un QW sous un courant de 100 mA pour (a ) LED A, (b ) LED B, et (c ) LED C

L'EQE à basse température a été mesurée pour évaluer les performances de l'appareil. La figure 3a montre l'EQE relative mesurée à 5 K. Toutes les valeurs ont été normalisées à l'EQE maximum de la LED B. De toute évidence, le courant d'injection pour l'EQE maximum a diminué de manière significative par rapport à ceux à RT pour tous les appareils. L'EQE maximum de la LED B était d'environ 8,2 et 1,6 fois celui des LED A et C, respectivement. Les EQE dépendants du courant ont été mesurées à différentes températures. La figure 3b montre l'EQE relative dépendant du courant à différentes températures pour la LED B. Toutes les valeurs ont été normalisées à l'EQE maximum à 10 K. On peut voir que le courant pour l'EQE maximum diminuait à mesure que la température diminuait. Le même phénomène a été trouvé pour les trois LED. Il était bien connu que dans les matériaux en vrac, la concentration de trous diminuerait rapidement avec la diminution de la température en raison de l'énergie d'ionisation élevée du Mg dans le p-AlGaN. Dans notre structure, il a été démontré que la concentration en trous diminuait également lorsque la température diminuait [21]. Nous avons également simulé la distribution des trous à différentes températures. La figure 4 montre les concentrations de trous dans la région active à 100 et 300 K pour la LED B sous l'injection de 100 mA. De toute évidence, la concentration en trous diminuait à mesure que la température diminuait. De plus, le courant d'électrons débordé des QW peut être exprimé par [22].

un L'EQE relative à 5 K et (b ) l'EQE relative dépendant du courant à différentes températures pour la LED B

Les concentrations de trous dans la région active à 100 et 300 K pour la LED B sous l'injection de 100 mA

\( {J}_{\mathrm{overflow}}=D{\left(\frac{\Delta E}{kT}\right)}^3 qBl \)

où D est une constante, ΔE est la différence du niveau de Fermi et du bord de bande des puits quantiques, K est la constante de Boltzmann, T est la température, q est la charge électronique, B est le coefficient de recombinaison radiative bimoléculaire, et l est l'épaisseur des MQW. Pour une certaine LED, la contribution de variation de ΔE à J _débordement pourrait être négligé par rapport à celui de T au fur et à mesure que la température diminuait. Par conséquent, le J _débordement a augmenté de manière significative à 5 K par rapport à celle de RT, ce qui était considéré comme la principale raison de la diminution du courant d'injection auquel l'EQE maximal a atteint. Le J _débordement diminue à mesure que la température augmente, entraînant une augmentation du courant d'injection pour l'EQE maximale, comme le montre la figure 3b. À basse température, l'efficacité interne augmenterait en raison du gel des centres non radiatifs, tels que les dislocations, ce qui était bénéfique pour la LED C avec le plus grand volume de région active. C'était la raison la plus probable pour laquelle le rapport EQE de la LED B à la LED C a diminué à 5 K par rapport à celui de RT. De même, le rapport EQE de la LED B à la LED A a augmenté à 5 K par rapport à celui de la RT.

Conclusions

Nous avons étudié l'influence de la largeur QW sur les propriétés EL des LED AlGaN DUV à différentes températures. Les spectres EL ont montré un décalage vers le rouge à mesure que la largeur QW augmentait. L'EQE maximale pour les LED avec une largeur QW de 3,5 nm était environ 6,8 et 4,8 fois supérieure à celles de 2 et 5 nm à RT, respectivement. Cependant, ces valeurs sont passées à 8,2 et 1,6 à 5 K, respectivement. Les différents changements des rapports EQE maximum ont été attribués à la diminution de la recombinaison non radiative et à l'augmentation du volume de la région active. D'après l'analyse théorique, la LED avec des puits de 2 nm a montré une barrière la moins profonde pour le débordement d'électrons en raison de l'effet confiné quantique, tandis que la LED avec des puits de 5 nm a montré un chevauchement moindre d'électrons et de trous en raison du grand champ interne. Par conséquent, la LED avec des QW de 3,5 nm a montré l'EQE maximale la plus élevée. Au fur et à mesure que la température diminuait, le courant pour l'EQE maximum diminuait pour toutes les LED, ce qui était censé être dû à l'augmentation des électrons débordés des QW et à la diminution de la concentration en trous. L'EQE maximale pour les LED avec une largeur QW de 3,5 nm était d'environ 8,2 et 1,6 fois celle de 2 et 5 nm à 5 K, respectivement, ce qui serait dû à la diminution des centres de recombinaison non radiatifs et à l'augmentation du volume. de la région active.

Abréviations

LED DUV :

Diodes émettrices de lumière ultraviolette profonde

EL :

Électroluminescence

EQE :

Efficacité quantique externe

MQW :

Puits quantique multiple

PL :

Photoluminescence

QCSE :

Effet Stark confiné quantique

QW :

Puits quantique

RT :

Température ambiante