LEDs AlGaN Profond-UV Ultra-Efficaces avec Couche de Blocage p-Électron Super-réseau pour Presque Zéro Perte d'Efficacité

Résumé

Cette étude présente une LED AlGaN profond-UV quasi sans perte d'efficacité (droop) émettant à 270 nm. L'innovation clé est une couche de blocage p-électron (p-EBL) de super-réseau spécialement conçue qui fournit une haute concentration de trous, améliorant l'injection de trous dans les puits quantiques multiples (MQWs). La densité de trous accrue favorise la recombinaison radiative et supprime la fuite d'électrons, doublant l'efficacité quantique externe (EQE) par rapport aux conceptions conventionnelles.

Contexte

La lumière profond-UV (DUV) dans la gamme 200–280 nm est cruciale pour des applications comme les systèmes de purification d'eau. Les LEDs DUV basées sur AlGaN sont attractives grâce à leur faible tension de pilotage et compatibilité avec les architectures de purification existantes. Cependant, atteindre un EQE élevé à des longueurs d'onde inférieures à 280 nm reste un défi. Les densités de dislocations de filetage (TDD) dans les puits quantiques riches en Al sont typiquement de l'ordre de 10⁹ cm⁻², limitant sévèrement l'efficacité quantique interne (IQE). Même lorsque les TDD sont réduites à 10⁸ cm⁻², la perte d'efficacité (droop) à des courants d'injection supérieurs à 80 A cm⁻² peut réduire l'EQE sous 5 %. L'efficacité d'extraction de lumière (LEE) pour puces DUV nues n'est que d'environ 10 % selon simulations FDTD. Un contributeur majeur au droop dans les LEDs III-nitrures est le débordement d'électrons dans la couche d'injection de trous p-type, où la concentration de trous libres peut être aussi basse que 10¹⁷ cm⁻³. Diverses stratégies — insertion de couches pic, graduation de composition Al, ou ajout de couches AlGaN à faible Al — ont été explorées pour améliorer la capture d'électrons, mais l'effet de blocage des trous des p-EBL riches en Al reste un goulot d'étranglement pour les LEDs DUV. Un p-EBL super-réseau, démontré précédemment pour LEDs bleues, offre une voie prometteuse pour améliorer le transport de trous et réduire la fuite d'électrons, mais les preuves expérimentales pour dispositifs DUV sont rares. Ce travail démontre expérimentalement qu'un p-EBL super-réseau AlGaN/AlGaN spécifiquement conçu peut simultanément améliorer l'injection de trous et supprimer le droop d'efficacité, atteignant un droop quasi nul et une augmentation de 100 % de l'EQE.

Méthodes/Expérimental

Les deux architectures LED (LED A et LED B, Fig. 1) ont été croisées sur des templates AlN de 4 µm d'épaisseur fabriqués sur saphir plan c via épitaxie en phase vapeur d'hydrures (HVPE). Un super-réseau 20-périodes AlN/Al₀,₅₀Ga₀,₅₀N a servi de tampon de relaxation de contrainte. Une couche n-Al₀,₆₀Ga₀,₄₀N de 2 µm d'épaisseur avec concentration électronique 1 × 10¹⁸ cm⁻³ a fourni le contact n. La région active comprenait cinq périodes de puits quantiques Al₀,₄₅Ga₀,₅₅N (3 nm) et barrières Al₀,₅₆Ga₀,₄₄N (12 nm). Une p-EBL AlGaN de 10 nm coiffait les MQWs. La LED A utilisait une p-EBL massique Al₀,₆₀Ga₀,₄₀N, tandis que la LED B incorporait un super-réseau 5-périodes de couches 1-nm Al₀,₄₅Ga₀,₅₅N / 1-nm Al₀,₆₀Ga₀,₄₀N. Ce design débute le super-réseau immédiatement après la dernière barrière, assurant une charge de surface induite par polarisation négative à l'interface barrière/EBL, qui déplète les électrons et réduit la fuite. Les couches suivantes incluaient 50 nm p-Al₀,₄₀Ga₀,₆₀N et 50 nm p-GaN, suivis d'une couche de contact p⁺-GaN fortement dopée Mg de 10 nm. Les wafers ont été recuits à 800 °C sous N₂ pendant 15 min pour activer les donneurs Mg, donnant concentrations de trous ~1 × 10¹⁷ cm⁻³ (p-AlGaN) et ~3 × 10¹⁷ cm⁻³ (p-GaN).

Les dispositifs ont été traités en LEDs flip-chip avec mésas 650 × 320 µm². Contacts Ti/Al déposés côté n et recuits 900 °C (1 min). Couches d'étalement de courant Ni/Au appliquées et recuites 550 °C (5 min). Les électrodes n- et p- finales formées par empilements Ti/Al/Ni/Au. L'extraction de lumière mesurée avec sphère intégrante côté saphir.

Simulations numériques effectuées avec le logiciel APSYS, incorporant durée de vie SRH (10 ns), coefficient Auger (1 × 10⁻³⁰ cm⁶ s⁻¹), ratio décalage de bande 50:50, et 40 % polarisation pour orientation [0001]. LEE fixée à 10 % pour puces DUV nues.

Résultats et Discussions

Les spectres d'électroluminescence (EL) mesurés (Fig. 2a) montrent un pic stable à ~270 nm pour les deux LEDs sur la gamme de courant testée, confirmant un auto-échauffement minimal. La LED B présente une intensité EL plus forte. Puissance optique et EQE versus densité de courant (Fig. 2b) révèlent une amélioration ~90 % EQE pour LED B, avec droop réduit de ~24 % (LED A) à ~4 % (LED B) à 110 A cm⁻². Résultats numériques (Fig. 2c) correspondent étroitement aux données expérimentales, validant les modèles de simulation.

La Figure 3a montre que les concentrations de trous dans les MQWs sont plus élevées pour LED B. Le p-EBL super-réseau augmente la densité de trous de deux ordres de grandeur (Fig. 3b), réduisant la hauteur de barrière de bande de valence et facilitant le transport thermionique des trous. Par conséquent, la fuite d'électrons dans la couche p-type est supprimée, comme en témoignent des concentrations d'électrons plus faibles dans les couches d'injection de trous (Fig. 3d).

Les taux de recombinaison radiative (Fig. 4) sont plus élevés dans LED B, confirmant que l'injection améliorée de trous booste directement la génération de photons tout en atténuant le droop.

Simulations de bandes d'énergie (Fig. 5) illustrent que le p-EBL super-réseau élève la barrière de bande de conduction (de ~295 meV à ~391 meV) et abaisse la barrière de bande de valence (de ~324 meV à ~281 meV), supprimant ainsi l'échappée d'électrons et améliorant l'émission thermionique des trous. Les barrières réduites abaissent aussi la tension directe (Fig. 5c).

Conclusions

Ce travail démontre qu'un p-EBL super-réseau AlGaN/AlGaN soigneusement conçu permet l'amélioration simultanée de l'injection de trous et la suppression de la fuite d'électrons dans les LEDs DUV 270 nm. Résultat : une augmentation de 100 % de l'EQE et une chute dramatique du droop d'efficacité, approchant les limites théoriques. Ces résultats ouvrent une voie claire pour les émetteurs DUV haute efficacité de prochaine génération et approfondissent la compréhension de la dynamique des porteurs en optoélectronique III-nitrures.

Abréviations

APSYS

Advanced Physical Models of Semiconductor Devices

DUV

Diodes électroluminescentes profond ultraviolet

EL

Électroluminescence

EQE

Efficacité quantique externe

HVPE

Épitaxie en phase vapeur d'hydrures

ICP

Plasma à couplage inductif

IQE

Efficacité quantique interne

LEE

Efficacité d'extraction de lumière

MOCVD

Dépôt chimique en phase vapeur organométallique

MQWs

Puits quantiques multiples

p-EBL

Couche de blocage p-électron

TDD

Densité de dislocations de filetage