Performances améliorées des diodes électroluminescentes ultraviolettes profondes basées sur AlGaN avec couche de décélération des électrons à super-réseau chirped

Introduction

Ces dernières années, les diodes électroluminescentes (DEL) à ultraviolets profonds (DUV) à base d'AlGaN, dont les spectres attribués aux UVB (320 nm-280 nm) et aux UVC (280 nm-100 nm), ont attiré beaucoup d'attention en raison de leurs applications. dans l'éclairage des plantes, la photothérapie, la purification de l'eau et la stérilisation de l'air et des surfaces [1,2,3,4,5,6]. Cependant, la puissance de sortie lumineuse (LOP) des LED DUV à la pointe de la technologie à base d'AlGaN diminue considérablement à mesure que la longueur d'onde d'émission lumineuse diminue [7, 8]. Ces LED DUV souffrent d'une faible efficacité quantique interne (IQE), d'une efficacité d'extraction de lumière (LEE) et d'une efficacité d'injection de porteur (CIE) [9,10,11,12,13]. Généralement, un IQE déficient est causé par une grande densité de défauts et de dislocations de filetage, tandis qu'un LEE insuffisant est dû à la polarisation des matériaux AlGaN et à l'absorption par la couche de contact p-GaN non transparente [14,15,16,17,18]. De plus, le débordement d'électrons est la principale raison du faible CIE, qui est dû à la densité de trous inadéquate et à la mobilité significativement déséquilibrée des électrons et des trous dans les matériaux AlGaN [19, 20].

Classiquement, une couche de blocage d'électrons (EBL) en AlGaN de type p à haute teneur en Al est utilisée pour supprimer le débordement d'électrons. Mais seuls quelques trous peuvent être injectés dans la région active à travers la barrière dans la bande de valence introduite par l'EBL, et encore moins de trous peuvent traverser les barrières de la région active et être transportés vers les puits quantiques à proximité des couches de type n en raison de la faible efficacité d'activation du dopant Mg et faible mobilité des trous [21]. Diverses tentatives ont été faites pour améliorer l'injection d'électrons et de trous, telles que la couche barrière de trous, la dernière barrière spécialement conçue, l'EBL et les structures à puits quantiques multiples [22,23,24,25,26]. Néanmoins, les performances des LED DUV ne sont pas sensiblement améliorées.

Dans ce travail, nous avons proposé une nouvelle structure LED DUV avec une couche de décélération d'électrons à super-réseau (SEDL) pour ralentir l'injection d'électrons et restreindre le débordement d'électrons sans compromettre l'injection de trous. Nous avons étudié expérimentalement et numériquement les effets de plusieurs SEDL sur les performances des LED DUV. Les LED DUV ont été développées par dépôt chimique en phase vapeur métal-organique (MOCVD) et fabriquées en 762 × 762 μm ² puces, présentant un pic d'émission unique à 275  nm. L'efficacité quantique externe (EQE) de 3,43 % et la tension de fonctionnement de 6,4  V ont été mesurées à un courant direct de 40  mA, indiquant que l'efficacité de la prise murale est de 2,41 % des LED DUV avec SEDL modulé à teneur en Al ascendante. La durée de vie de la LED DUV avec une SEDL modulée à teneur en Al ascendante est mesurée à plus de 10 000  h à L50. De plus, le mécanisme d'amélioration des performances est étudié par simulation théorique. Il est vérifié que les SEDL chirpés sont capables d'équilibrer l'injection d'électrons et de trous dans la région active, ce qui favorise la recombinaison radiative dans les premiers puits quantiques à proximité des couches de type n.

Section Méthodes et Expérimentation

Epitaxie par MOCVD

Des hétérostructures LED DUV à base d'AlGaN ont été développées à l'aide d'un système MOCVD vertical à paroi froide. Pour l'épitaxie de toute la structure, le triméthylaluminium (TMA), le triméthylgallium (TMG) et l'ammoniac (NH₃ ) ont été utilisées comme sources d'Al, Ga et N, respectivement. H₂ a été utilisé comme gaz vecteur. La figure 1a illustre le schéma de la structure LED DUV avec SEDL modulé. La croissance a été initiée avec un AlN de 2,7 µm d'épaisseur, en utilisant la méthode de croissance avec intercalaire initial de gradient AlN pour la modification du mode de croissance [27], puis un Al dopé Si de 3 µm d'épaisseur_0,6 Ga_0.4 N couche de contact de type n, dont la concentration électronique et la mobilité de cette couche de type n sont mesurées à 4,5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ et 52 cm ² /V s, respectivement, par système Hall. Il est suivi par le SEDL non dopé de 40 nm d'épaisseur. Figure 1b–e. montre les structures de bande de la LED DUV conventionnelle et de trois LED DUV proposées avec SEDL, nommés échantillons A, B, C et D, respectivement. Comme le montre la figure 1c, l'échantillon B a une SEDL uniforme d'Al_0,65 homogène sur 20 périodes. Ga_0.35 S/O_0,5 Ga_0,5 N superréseau. Les SEDLs chirpés des échantillons C et D sont composés de quatre ensembles de super-réseaux à 5 périodes avec différentes couches à haute teneur en Al, à savoir 0,7, 0,65, 0,6 et 0,55, tandis que la composition en Al des couches à faible teneur en Al est maintenu constant à 0,5. Pour l'échantillon C, les compositions en Al des couches à haute teneur en Al augmentent progressivement de bas en haut, ce qui est contraire à celui de l'échantillon D, comme le montrent les Fig. 1d et e. Les épaisseurs de chaque couche pour SEDL sont fixées à 1 nm de manière constante. La région active des LED DUV se compose d'un Al_0.6 Ga_0.4 Couche de revêtement N:Si pour l'étalement du courant, suivie d'un puits quantique multiple à 5 périodes, utilisant de l'Al de 14 nm d'épaisseur_0,57 Ga_0.43 N barrières et 2 nm d'épaisseur d'Al_0,45 Ga_0,55 N puits. Ensuite, Al_0.7 Ga_0.3 Les couches de contact N:Mg EBL et GaN:Mg de type p ont été cultivées en séquence. La concentration de trous et la mobilité du p-GaN sont mesurées à 3,6 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ et 15 cm ² /V s, respectivement, par système Hall.

Simulation des structures conçues de DUV LED avec et sans SEDL. un Un schéma de la structure LED DUV avec SEDL pulsé. La SEDL de 20 périodes avec différentes compositions d'Al est insérée entre la couche d'AlGaN de type n et la couche de gaine d'étalement de courant d'AlGaN. b Structure de bande entière de l'échantillon conventionnel (a ) sans SEDL. La zone en surbrillance fait référence à la région désignée où le SEDL doit être inséré. c Structure de bande du SEDL de l'échantillon (b ), qui est le superréseau homogène Al0,5Ga0,5N/Al0,65Ga0,35N à 20 périodes. Chaque couche du SEDL est de 1 nm. d Structure de bande du SEDL de l'échantillon (c ), qui correspond à quatre ensembles du super-réseau SEDL à teneur en Al décroissante à 5 périodes avec différentes couches à haute teneur en Al, à savoir 0,7, 0,65, 0,6 et 0,55. e Structure de bande du SEDL de l'échantillon (d ), qui est quatre ensembles du super-réseau SEDL ascendant à teneur en Al à 5 ​​périodes avec différentes couches à haute teneur en Al, à savoir 0,55, 0,6, 0,65 et 0,7

Fabrication d'appareils

Après la croissance du MOCVD, les LED DUV ont été fabriquées avec des techniques de traitement standard. Tout d'abord, des structures mesa avec des géométries carrées et en doigt ont été formées par gravure à sec jusqu'à 150  nm sous le sommet d'Al dopé Si_0.6 Ga_0.4 N Couche de contact de type n, suivie d'un recuit à 900°C pour réparer les dommages de gravure. Ensuite, un empilement métallique de contact n Ti/Al/Ni/Au a été déposé et recuit à 850°C dans une atmosphère d'azote. Par la suite, un film d'ITO a été évaporé et recuit à 250  °C pour l'utilisation du contact p, suivi d'une évaporation d'électrode épaisse, d'un dépôt de couche de passivation, d'une évaporation de tampon et d'un découpage furtif en 762   × 762  μm ² chips.

Simulation

Pour éclairer le mécanisme d'amélioration des performances des LED DUV, le diagramme de bande, les propriétés optiques et les caractéristiques de transport de porteurs de cette structure ont été simulés en résolvant l'équation de Schrödinger, l'équation de Poisson, les équations de transport de porteur et l'équation de continuité actuelle de manière auto-cohérente en Programmes Crosslight APSYS (Advance Physical Model of Semiconductor Devices) [28]. Le temps de recombinaison Shockley-Read-Hall (SRH) est fixé à 1,5 ns pour toutes les couches à l'exception de la couche insérée de type p à 1 ns car la durée de vie SRH dépend du niveau de dopage [29]. La perte interne est de 2000 m ⁻¹ [30]. Le paramètre de courbure b est de 1 eV, et le rapport de décalage de bande est supposé être de 0,7/0,3 pour les matériaux AlGaN [31]. Le coefficient de recombinaison Auger est fixé à 1 × 10 ⁻³⁰ cm ⁶ /s pour s'adapter à l'expérience [32]. Dans cette simulation, les charges d'interface intégrées dues à la polarisation spontanée et piézoélectrique sont calculées sur la base de la méthode proposée par Fiorentini et al. [33]. De plus, compte tenu du blindage par défauts, les densités de charges surfaciques sont supposées être de 40 % des valeurs calculées [34].

Résultats et discussion

Comme quatre échantillons possèdent les mêmes modèles AlN et AlGaN de type n, les qualités cristallines des échantillons A, B, C et D ont été mesurées par diffraction des rayons X à haute résolution (HR-XRD). Comme le montre le tableau 1, des courbes d'oscillation aux rayons X (XRC) le long du plan symétrique (002) et du plan asymétrique (102) pour les deux couches ont été réalisées. Les résultats montrent que la pleine largeur XRC à mi-hauteur (FWHM) et la densité de dislocation de filetage (TDD) de quatre échantillons sont presque les mêmes, indiquant que la qualité cristalline n'est pas la principale raison de l'amélioration des performances de l'appareil. De plus, il a pu être constaté que les densités de dislocation de filetage (TDD) dans la couche d'AlGaN sont plus élevées que celles de la couche d'AlN, ce qui résulte de propriétés cristallines mixtes, de défauts d'interface et d'impuretés de dopage Si [35]. Selon les recherches de Ban et al. à propos de la corrélation entre l'IQE et le TDD, l'IQE pour tous les échantillons de ce travail est d'environ 30 à 40 % [36].

Pour confirmer la croissance réussie de la nouvelle structure, nous avons effectué des mesures en coupe transversale de microscopie électronique à transmission à champ clair (BF-STEM) pour l'échantillon typique B en tant que représentant, comme le montre la Fig. 2. On peut voir que les TDD diminution pendant tout le processus de croissance de l'AlN de 2,7 μm d'épaisseur sur la figure 2a. La figure 2b indique une bonne périodicité et une couche de près de 1 nm d'épaisseur dans chaque période de SEDL. De plus, cinq périodes de plusieurs puits quantiques avec des interfaces distinctes sont reconnues sur la figure 2c, dont les barrières mesurent 14  nm et les puits mesurent environ 2,1  nm.

Caractérisation morphologique de l'échantillon type B. a Image STEM en coupe du modèle AlN. b Image STEM en coupe dans la région de 20 périodes de SEDL. c Image STEM en coupe dans la région active

Afin d'étudier les performances de l'appareil, des puces de LED DUV ont été collées par eutectique sur un substrat en céramique AlN pour minimiser l'effet de chauffage. Ensuite, le substrat a été monté sur une plaque d'aluminium hexagonale par pâte à braser. Ensuite, des mesures électriques et optiques ont été effectuées, en utilisant le système d'analyse photoélectrique ATA-1000 équipé d'une sphère d'intégration de 30 cm de diamètre [37]. La figure 3a montre les variations de la puissance de sortie lumineuse (LOP) en fonction du courant d'injection. Les LOP de l'échantillon D avec SEDL à teneur en Al ascendante sont de 6,17 mW à 40  mA, 14,99  mW à 100  mA et 44,975  mW à 360  mA, ce qui est un facteur trois fois supérieur à celui de l'échantillon A conventionnel sans SEDL. Cela indique que SEDL est bénéfique pour la suppression du débordement d'électrons et l'injection de trous. Pendant ce temps, une légère saturation du LOP pour quatre échantillons peut être observée, lors du fonctionnement à des biais élevés, qui est liée à l'effet de chauffage et à la recombinaison Auger [38]. L'EQE contre le courant d'injection est représenté sur la figure 3b. L'EQE maximale est de 3,43 % à 40  mA pour l'échantillon D, tandis que l'EQE culmine à seulement 1,17 % pour l'échantillon A. Pendant ce temps, la LOP et l'EQE de l'échantillon D avec une teneur en Al ascendante SEDL sont plus élevées que celles de l'échantillon B avec uniforme et la baisse des SEDL à teneur en Al, ce qui démontre une recombinaison radiative plus efficace dans l'échantillon D. Les caractéristiques courant-tension mesurées pour tous les échantillons sont illustrées à la figure 3c. On peut reconnaître que l'incorporation de SEDL augmente la tension de fonctionnement de 5,13 V à 40  mA pour l'échantillon A à 7,09  V à 40 mA pour l'échantillon B, en raison de l'augmentation de la résistivité de la SEDL à haute composition en Al. De plus, on peut voir que la tension de fonctionnement est plus faible pour les échantillons C et D que pour l'échantillon B. Selon la conception de la structure et la mesure de transmission pour les échantillons monocouche, la composition moyenne en Al des barrières de l'échantillon C et D SEDL est de 62,5% tandis que celui de l'échantillon B est de 65%. La teneur en Al plus élevée conduit à une efficacité de dopage plus faible et à une résistance plus élevée, entraînant une augmentation de la tension de fonctionnement. Il convient de mentionner que la tension de l'échantillon D est de 6,4  V à 40  mA, ce qui donne un rendement maximal de prise murale (WPE) de 2,41%. Les spectres d'électroluminescence à 10  mA sont illustrés à la figure 3d. Les émissions maximales de quatre échantillons sont toutes autour de 275  nm, et la tendance de l'intensité maximale est la même que LOP. Cela indique également que le SEDL modulé à contenu Al ascendant est disponible pour l'amélioration des performances de l'appareil LED DUV.

Caractéristiques électriques et optiques d'échantillons avec différentes SEDL à température ambiante. un Dépendance de LOP sur le courant d'injection sous les polarisations CW. b Dépendance de l'EQE sur le courant d'injection sous les polarisations CW. c Dépendance du courant d'injection sur la tension de fonctionnement. d Spectres EL de tous les échantillons à un courant d'injection de 10 mA, dont les pics d'émission se situent autour de 275 nm

Pour faire la lumière sur le mécanisme responsable de cette amélioration, des simulations théoriques ont été effectuées par le programme APSYS et les résultats sont affichés sur la figure 4. La densité de courant électronique et les distributions de densité de courant de trou près de la région active à 200  mA sont calculées sur la figure. 4a et b. Il a pu être constaté que les densités de courant d'injection d'électrons des échantillons avec SEDL sont légèrement inférieures à celles de l'échantillon A sans SEDL, tandis que la situation est inverse pour le courant d'injection de trous, illustrant que SEDL est capable de décélérer l'électron du type n couche d'injection d'électrons en AlGaN et favorise l'injection de trous en conséquence. Les taux de recombinaison radiative pour tous les échantillons ont été calculés sur la figure 4c. Avec l'incorporation de différentes SEDL, le taux de recombinaison radiative dans les puits quantiques à proximité de la couche de type n est évidemment augmenté. Pendant ce temps, de l'échantillon A à l'échantillon D, les taux de recombinaison radiative dans les cinq puits quantiques s'uniformisent progressivement, ce qui est presque le même pour l'échantillon D avec une SEDL chirpée à teneur en Al ascendante. Cela indique en outre que SEDL peut équilibrer l'injection de porteurs d'électrons et de trous dans la région active et favoriser la recombinaison radiative dans les premiers puits quantiques à proximité des couches de type n dans l'intervalle. En conséquence, les IQE des quatre échantillons ont été simulés et tracés sur la figure 4d. L'IQE de l'échantillon D est le plus élevé, ce qui est cohérent avec l'EQE de la figure 4b. De plus, le statisme d'efficacité dans l'échantillon avec SEDL est apparemment amélioré. Dans toute la plage de courant d'injection, le statisme d'efficacité est de 70,33 %, 59,79 %, 48,93 % et 36,26 % pour les échantillons A, B, C et D, respectivement, qui est défini comme le statisme d'efficacité = (IQE_max − IQE_250 mA )/IQE_max . On pense généralement que le statisme d'efficacité est causé par une fuite d'électrons et une injection de trous insuffisante [39]. L'amélioration du statisme d'efficacité clarifie que SEDL peut équilibrer le transport de porteurs vers la région active et favoriser la recombinaison radiative dans les puits quantiques, améliorant ainsi les performances de l'appareil en fin de compte.

Simulations et analyses théoriques. un Densité de courant électronique dans la région active au courant d'injection de 200 mA. b Densité de courant de trou dans la région active au courant d'injection de 200 mA. c Taux de recombinaison radiative dans les multiples puits quantiques au courant d'injection de 200 mA. d Dépendance de l'IQE calculé sur le courant d'injection

La durée de vie des appareils a été mesurée à 20 mA et à température ambiante. Pour chaque échantillon, pour garantir l'exactitude des résultats, 10 puces ont été sélectionnées au hasard et la moyenne de leur LOP relative à différents temps de contrainte a été représentée sur la Fig. 5. Comme indiqué, par rapport à l'échantillon A, la durée de vie des échantillons avec SEDL est évidemment étendu. La dégradation des dispositifs LED est en partie liée à l'accumulation de défauts, aux canaux conducteurs ohmiques et à une injection de porteurs déficiente [40]. L'amélioration de la durée de vie vérifie en outre que SEDL pourrait équilibrer le transport des électrons et des trous et favoriser l'injection de porteurs dans la région active. De plus, la durée de vie de fonctionnement moyenne de l'échantillon D avec une SEDL modulée à teneur en Al ascendante est supérieure à 10 000  h à L50, ce qui est adéquat pour l'application pratique.

La LOP relative en fonction du temps de vieillissement pour tous les échantillons à 20 mA et à température ambiante. Le vieillissement est arrêté lorsque la LOP relative est inférieure à 50 %. Les courbes noires, rouges, vertes et bleues représentent des échantillons a , b , c , et d , respectivement. La durée de vie de l'échantillon D avec une SEDL modulée à teneur en Al ascendante est supérieure à 10 000  h à L50

Conclusion

Les effets de la couche de décélération électronique du super-réseau chirpé sur les LED DUV sont étudiés expérimentalement et numériquement. Les résultats indiquent que les SEDL chirpés sont capables d'équilibrer l'injection d'électrons et de trous dans la région active, ce qui favorise la recombinaison radiative dans les premiers puits quantiques à proximité des couches de type n. L'augmentation de la recombinaison radiative conduit en outre à l'amélioration des performances du dispositif LED DUV. Les LED DUV à base d'AlGaN ont été fabriquées en 762 × 762 μm ² puces, présentant un pic d'émission unique à 275  nm. L'efficacité quantique externe de 3,43 % et la tension de fonctionnement de 6,4  V sont mesurées à un courant direct de 40  mA, démontrant que l'efficacité de la prise murale est de 2,41 % des LED DUV avec une SEDL modulée à teneur en Al ascendante. La durée de vie de la LED DUV avec une SEDL modulée à teneur en Al ascendante est mesurée à plus de 10 000  h à L50, en raison de la promotion de l'injection de porteurs. On peut s'attendre à d'autres améliorations en introduisant le décollement au laser, la rugosité de surface, l'électrode réfléchissante et l'encapsulation. En général, la LED DUV conçue avec SEDL pulsé présente des propriétés électriques satisfaisantes, des performances optiques favorables et une fiabilité souhaitable, ce qui est prometteur pour la purification de l'eau et la stérilisation de surface à haute efficacité.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données et les matériaux du manuscrit sont disponibles.

Abréviations

APSYS :

Modèle physique avancé des dispositifs à semi-conducteurs

BF-STEM :

Microscopie électronique à transmission à balayage à fond clair

CIE :

Efficacité de l'injection du porteur

DUV :

Ultraviolet profond

EBL :

Couche de blocage d'électrons

EQE :

Efficacité quantique externe

FWHM :

Pleine largeur à mi-hauteur

HR-XRD :

Diffraction des rayons X haute résolution

IQE :

Efficacité quantique interne

LED :

Diode électroluminescente

LEE :

Efficacité d'extraction de la lumière

LOP :

Puissance lumineuse

MOCVD :

Dépôt chimique en phase vapeur métal-organique

SEDL :

Couche de décélération des électrons du super-réseau

SSR :

Shockley-Read-Hall

TDD :

Densité de dislocation de filetage

TMA :

Triméthylaluminium

TMG :

Triméthylgallium

WPE :

Efficacité de la prise murale

XRC :

Courbe de basculement aux rayons X