Optimisation de la largeur de puits quantique pour une électroluminescence maximale dans les LED AlGaN UV profondes à travers les températures

Résumé

Nous avons étudié comment l'épaisseur du puits quantique (PQ) influence la performance d'électroluminescence (EL) des LED AlGaN UV profondes sur une large gamme de températures. La LED avec un PQ de 3,5 nm a présenté une augmentation de 6,8 fois du rendement quantique externe (EQE) par rapport au dispositif de 2 nm à température ambiante (RT) et une augmentation de 8,2 fois à 5 K. Inversement, le dispositif de 3,5 nm surpassait le homologue de 5 nm de 4,8× à RT, mais seulement de 1,6× à 5 K. Ces tendances découlent d'une recombinaison non radiative réduite et d'un volume de région active plus grand à basses températures. Les simulations révèlent que les puits de 2 nm fournissent la barrière la moins profonde pour le débordement d'électrons en raison du confinement quantique, tandis que les puits de 5 nm souffrent le plus de l'effet Stark confiné quantique (QCSE). Par conséquent, le dispositif de 3,5 nm délivre le EQE maximal le plus élevé à travers les températures. À mesure que la température diminue, le courant nécessaire pour atteindre le pic d'EQE diminue pour toutes les LED, attribué à un débordement d'électrons accru et à une concentration de trous diminuée. Ces résultats clarifient l'interaction entre les champs de polarisation, le débordement d'électrons et la température dans les LED AlGaN UV profondes.

Contexte

Les LED AlGaN UV profondes sont devenues des composants clés pour l'éclàrage à semi-conducteurs, la stérilisation et la détection biochimique. Les avancées dans la qualité cristalline, le dopage de type p et l'architecture des dispositifs — tels que le recuit à haute température de l'AlN, les films épais d'AlN sur saphir et l'ingénierie des défauts en homoépitaxie — ont régulièrement amélioré les performances [1-9]. Néanmoins, atteindre un haut rendement quantique externe (EQE) reste un défi, en grande partie en raison des forts champs spontanés et piézoélectriques inhérents aux nitrures wurtzite qui induisent une inclinaison de bande et une séparation des porteurs [10-17]. Des travaux antérieurs de Hirayama et al. ont démontré qu'une largeur de PQ de 1,5-1,7 nm donne la photoluminescence la plus brillante dans les LED AlGaN à PQ unique, tandis que les puits plus minces subissent une recombinaison non radiative accrue aux hétérointerfaces [18]. Sur la base de ces connaissances, nous avons fabriqué des LED UV profondes avec trois largeurs de PQ distinctes (2,0, 3,5 et 5,0 nm) pour examiner systématiquement comment l'épaisseur du puits et la température de fonctionnement façonnent les caractéristiques EL.

Méthodes

Tous les dispositifs ont été cultivés sur saphire plan c par dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD). Un tampon AlN de 1,0 µm a été suivi d'une couche Al0,6Ga0,4N non dopée de 0,5 µm et d'un modèle n-Al0,6Ga0,4N de 1,0 µm, atteignant une densité de dislocations d'environ 6×10⁹ cm⁻² (MET). La région active comprenait des PQ multiples Al0,49Ga0,51N/Al0,58Ga0,42N avec des barrières de 5,0 nm. Trois échantillons — LED A (PQ 2,0 nm), LED B (PQ 3,5 nm), LED C (PQ 5,0 nm) — ont été fabriqués. La lithographie standard a défini des jonctions p-n de 500 µm × 500 µm. La gravure ionique réactive a exposé la couche de contact ohmique n-Al0,6Ga0,4N. Les contacts Ti/Al/Ni/Au (15/80/12/60 nm) ont été déposés par évaporation faisceau d'électrons et recuits à 900 °C pendant 30 s sous N₂. Les contacts p transparents utilisaient Ni/Au (6/12 nm) et étaient recuits dans l'air à 600 °C pendant 3 min ; une couche finale Ni/Au (5/60 nm) complétait le dispositif. Les spectres EL ont été enregistrés de 5 K à RT en utilisant un CCD refroidi à l'azote liquide Jonin Yvon Symphony UV-amélioré. L'injection par impulsions (impulsions de 1 µs à 0,5 % de cycle de service) a atténué les effets d'auto-échauffement [19].

Résultats et discussion

La figure 1a montre les spectres EL à température ambiante des LED A, B et C sous polarisation directe de 100 mA. Normalisés à l'émission bande-à-bande, les longueurs d'onde de pic passent d'environ 261 nm (A) à environ 268 nm (C), indiquant un décalage vers le rouge avec l'augmentation de la largeur du PQ. Un pic parasite faible près de 304 nm dans la LED A indique un débordement d'électrons [20]. La figure 1b trace l'EQE relatif versus courant d'impulsion, normalisé au pic d'EQE de la LED B. Le maximum d'EQE de la LED B dépasse celui de la LED A de 6,8× et celui de la LED C de 4,8× à RT. Les simulations avec APSYS illustrent la physique sous-jacente. Les figures 2a-c montrent les diagrammes de bandes, les énergies d'état fondamental et les fonctions d'onde des porteurs pour une injection de 100 mA. Le champ interne incline le profil de bande du PQ, et le QCSE réduit le recouvrement électron-trous à mesure que le PQ s'élargit. Les énergies d'état fondamental sont 4,733, 4,669 et 4,637 eV pour les LED A, B et C, correspondant aux longueurs d'onde observées. Les hauteurs de barrière augmentent de 0,030 eV (A) à 0,069 eV (C), pourtant la LED A souffre encore de débordement d'électrons, tandis que l'efficacité de la LED C est limitée par le QCSE. Ainsi, le puits de 3,5 nm équilibre confinement et recouvrement, donnant le plus haut EQE. À basse température, les courbes d'EQE relatif se déplacent notablement. La figure 3a montre qu'à 5 K, le maximum d'EQE de la LED B est 8,2× et 1,6× plus élevé que les LED A et C, respectivement. La figure 3b révèle que le courant requis pour le pic d'EQE diminue avec la température pour tous les dispositifs. La chute de la concentration de trous avec le refroidissement — due à l'énergie d'ionisation du Mg dans le p-AlGaN — réduit la disponibilité des porteurs, tandis que le courant de débordement d'électrons, exprimé comme J_overflow = D (ΔE/kT)³ q B l, croît à mesure que T diminue [22]. Par conséquent, le point d'injection optimal se déplace vers des courants plus faibles. À 5 K, le gel des centres non radiatifs améliore l'efficacité interne, bénéficiant particulièrement à la LED C avec le plus grand volume actif. Cela explique le ratio d'EQE réduit de la LED B par rapport à la LED C à 5 K comparé à RT, tandis que le ratio par rapport à la LED A augmente. Dans l'ensemble, les données soulignent le rôle critique de la largeur du PQ, des champs de polarisation et de la température dans la performance des LED UV profondes AlGaN.

J_overflow = D (ΔE/kT)³ q B l, où D est une constante, ΔE est la différence entre le niveau de Fermi et le bord de bande du PQ, k est la constante de Boltzmann, T est la température, q est la charge de l'électron, B est le coefficient de recombinaison radiative bimoléculaire, et l est l'épaisseur du PQ multiple. À basse T, la dépendance en T⁻³ cause une hausse marquée de J_overflow, expliquant le courant d'injection réduit pour le pic d'EQE. Ceci, combiné à la diminution de la concentration de trous, explique les tendances observées à travers les températures.

Conclusions

Nous avons étudié systématiquement l'impact de la largeur du PQ sur l'électroluminescence des LED AlGaN UV profondes de 5 K à RT. Le PQ de 3,5 nm a donné le plus haut EQE maximal — 6,8× (RT) et 8,2× (5 K) plus élevé que le dispositif de 2 nm, et 4,8× (RT) et 1,6× (5 K) plus élevé que le dispositif de 5 nm. Ces variations découlent d'un équilibre entre recombinaison non radiative réduite, volume actif accru et recouvrement électron-trous optimal. Les mesures dépendantes de la température révèlent que le courant requis pour le pic d'EQE diminue à mesure que T baisse, entraîné par un débordement d'électrons accru et une concentration de trous supprimée. Les résultats fournissent un cadre clair pour l'ingénierie des dimensions de PQ et des conditions de fonctionnement afin de maximiser l'efficacité dans les LED AlGaN UV profondes.

Abréviations

LED UV profondes :

Diodes électroluminescentes ultraviolettes profondes

EL :

Électroluminescence

EQE :

Rendement quantique externe

PQ multiple :

Puits quantique multiple

PL :

Photoluminescence

QCSE :

Effet Stark confiné quantique

PQ :

Puits quantique

RT :

Température ambiante