Amélioration de l'efficacité des LED UV profondes AlGaN avec couches de décélération électronique en super-réseau chirpé

Résumé

Les diodes électroluminescentes (LED) AlGaN à ultraviolet profond (DUV) souffrent de débordement d'électrons et d'injection de trous insuffisante. Dans cet article, de nouvelles structures de LED DUV avec couche de décélération électronique en super-réseau (SEDL) sont proposées pour décélérer les électrons injectés dans la région active et améliorer la recombinaison radiative. Les effets de plusieurs SEDL chirpés sur les performances des LED DUV ont été étudiés expérimentalement et numériquement. Les LED DUV ont été cultivées par dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD) et fabriquées en puces de 762 × 762 μm², présentant une émission à pic 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, indiquant que l'efficacité de paroi est de 2,41 % pour les LED DUV avec SEDL chirpé à teneur en Al croissante. La durée de vie de la LED DUV avec SEDL chirpé à teneur en Al croissante est mesurée à plus de 10 000 h à L50, grâce à la promotion de l'injection de porteurs.

Introduction

Ces dernières années, les LED AlGaN à ultraviolet profond (DUV), dont les spectres sont attribués à l'UVB (320 nm–280 nm) et 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. Cependant, la puissance de sortie lumineuse (LOP) des LED AlGaN DUV de pointe chute significativement à mesure que la longueur d'onde d'émission devient plus courte. Ces LED DUV souffrent d'un faible rendement quantique interne (IQE), d'une faible efficacité d'extraction de lumière (LEE) et d'une faible efficacité d'injection de porteurs (CIE). Généralement, un IQE déficient est causé par une grande densité de défauts et de dislocations de filetage, tandis qu'une LEE insuffisante est due à la polarisation des matériaux AlGaN et à l'absorption par la couche de contact p-GaN non transparente. De plus, le débordement d'électrons est la principale raison du faible CIE, en raison de la densité de trous inadéquate et de la mobilité significativement déséquilibrée des électrons et des trous dans les matériaux AlGaN.

Conventionnellement, une couche de blocage d'électrons (EBL) AlGaN de type p à haute teneur en Al est utilisée pour supprimer le débordement d'électrons. Mais seulement 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 franchir les barrières de la région active et se transporter vers les puits quantiques proches des couches de type n en raison de la faible efficacité d'activation du dopant Mg et de la faible mobilité des trous. Diverses tentatives ont été faites pour améliorer l'injection d'électrons et de trous, telles que la couche de barrière pour trous, la dernière barrière spécifiquement conçue, l'EBL et les structures à puits quantiques multiples. Néanmoins, les performances des LED DUV ne sont pas substantiellement améliorées.

Dans ce travail, nous avons proposé une nouvelle structure de LED DUV avec une couche de décélération électronique en super-réseau (SEDL) pour décélérer l'injection d'électrons et restreindre le débordement d'électrons sans compromettre l'injection de trous. Nous avons étudié les effets de plusieurs SEDL sur les performances des LED DUV expérimentalement et numériquement. Les LED DUV ont été cultivées par MOCVD et fabriquées en puces de 762 × 762 μm², présentant une émission à pic 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 paroi (WPE) est de 2,41 % pour les LED DUV avec SEDL chirpé à teneur en Al croissante. La durée de vie de la LED DUV avec SEDL chirpé à teneur en Al croissante 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 proches des couches de type n.

Méthodes et section expérimentale

Épitaxie par MOCVD

Les hétérostructures de LED DUV basées sur AlGaN ont été cultivées en utilisant un système MOCVD à paroi froide vertical. Pour l'épitaxie de toute la structure, le triméthylaluminium (TMA), le triméthylgallium (TMG) et l'ammoniac (NH₃) ont été utilisés comme sources d'Al, Ga et N respectivement. H₂ a été utilisé comme gaz porteur. La Figure 1a illustre le schéma pour la structure de LED DUV avec SEDL chirpé. La croissance a été initiée avec une couche AlN de 2,7 µm d'épaisseur, en utilisant la méthode de croissance avec intercalaire de gradient AlN initial pour la modification du mode de croissance, puis une couche de contact n-type Al₀,₆Ga₀,₄N dopée Si de 3 µm d'épaisseur, dont la concentration d'électrons et la mobilité de cette couche n-type sont mesurées à 4,5 × 10¹⁸ cm⁻³ et 52 cm²/V·s respectivement par système Hall. Elle est suivie par la SEDL non dopée de 40 nm d'épaisseur. La Figure 1b–e montre les structures de bandes de la LED DUV conventionnelle et de trois LED DUV proposées avec SEDL, nommées échantillons A, B, C et D respectivement. Comme exposé en Fig. 1c, l'échantillon B a une SEDL uniforme de super-réseau homogène Al₀,₆₅Ga₀,₃₅N/Al₀,₅Ga₀,₅N à 20 périodes. Les SEDL chirpés des échantillons C et D sont composés de quatre ensembles de super-réseau 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 maintenue constante à 0,5. Pour l'échantillon C, les compositions en Al des couches à haute teneur en Al augmentent progressivement du bas vers le haut, ce qui est contraire à celui de l'échantillon D, comme montré en Fig. 1d et e. Les épaisseurs de chaque couche pour la SEDL sont fixées à 1 nm de manière constante. La région active des LED DUV consiste en une couche de revêtement Al₀,₆Ga₀,₄N:Si pour l'étalement du courant, suivie d'un puits quantique multiple à 5 périodes, utilisant des barrières Al₀,₅₇Ga₀,₄₃N de 14 nm d'épaisseur et des puits Al₀,₄₅Ga₀,₅₅N de 2 nm d'épaisseur. Ensuite, l'EBL Al₀,₇Ga₀,₃N:Mg et la couche de contact p-type GaN:Mg ont été cultivées en séquence. La concentration de trous et la mobilité du p-GaN sont mesurées à 3,6 × 10¹⁷ cm⁻³ et 15 cm²/V·s respectivement par système Hall.

Amélioration de l efficacité des LED UV profondes AlGaN avec couches de décélération électronique en super-réseau chirpé

Fabrication du dispositif

Après la croissance MOCVD, les LED DUV ont été fabriquées avec des techniques de traitement standard. Premièrement, des structures de mesa avec géométries carrées et en doigts ont été formées par gravure sèche jusqu'à 150 nm sous le sommet de la couche de contact n-type Si-doped Al₀,₆Ga₀,₄N, suivies d'un recuit à 900 °C pour réparer les dommages de gravure. Ensuite, une pile métallique de contact n Ti/Al/Ni/Au a été déposée et recuite à 850 °C en atmosphère d'azote. Par la suite, un film ITO a été évaporé et recuit à 250 °C pour l'utilisation de contact p, suivi par l'évaporation d'électrodes épaisses, le dépôt de couche de passivation, l'évaporation de pastilles et le découpage furtif en puces de 762 × 762 μm².

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 porteurs et l'équation de continuité du courant de manière auto-cohérente par les programmes Crosslight APSYS (Advance Physical Model of Semiconductor Devices). Le temps de recombinaison Shockley-Read-Hall (SRH) est fixé à 1,5 ns pour toutes les couches sauf la couche insérée de type p à 1 ns car la durée de vie SRH dépend du niveau de dopage. La perte interne est de 2000 m⁻¹. Le paramètre de courbure b est de 1 eV, et le rapport de décalage de bande est supposé être 0,7/0,3 pour les matériaux AlGaN. Le coefficient de recombinaison Auger est fixé à 1 × 10⁻³⁰ cm⁶/s pour ajuster l'expérience. Dans cette simulation, les charges d'interface intégrées dues à la polarisation spontanée et piézoélectrique sont calculées basées sur la méthode proposée par Fiorentini et al. De plus, en tenant compte du blindage par les défauts, les densités de charge de surface sont supposées être 40 % des valeurs calculées.

Résultats et discussion

Comme les 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 montré dans le Tableau 1, les courbes de rocking X-ray (XRC) le long des plans symétriques (002) et asymétriques (102) pour les deux couches ont été effectuées. Les résultats montrent que la largeur à mi-hauteur (FWHM) du XRC et la densité de dislocations de filetage (TDD) des quatre échantillons sont presque les mêmes, indiquant que la qualité cristalline n'est pas la raison principale de l'amélioration des performances du dispositif. De plus, on peut constater que les densités de dislocations de filetage (TDD) dans la couche AlGaN sont plus élevées que celles dans la couche AlN, ce qui résulte des propriétés de cristal mixte, des défauts d'interface et des impuretés de dopage Si. Selon la recherche de Ban et al. sur la corrélation entre IQE et TDD, l'IQE pour tous les échantillons dans ce travail est d'environ 30–40 %.

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

Afin d'étudier les performances du dispositif, les puces de LED DUV ont été collées eutectiquement 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 souder. Puis, des mesures électriques et optiques ont été effectuées, en utilisant le système d'analyse photoélectrique ATA-1000 équipé d'une sphère intégrante de 30 cm de diamètre. La Figure 3a montre les variations de la puissance de sortie lumineuse (LOP) versus courant d'injection. Les LOP de l'échantillon D avec SEDL à teneur en Al croissante 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 de trois fois plus élevé que celui de l'échantillon conventionnel A sans SEDL. Cela indique que la SEDL est bénéfique pour la suppression du débordement d'électrons et l'injection de trous. Pendant ce temps, une légère saturation de la LOP pour les quatre échantillons peut être observée lors du fonctionnement à hautes polarisations, ce qui est lié à l'effet de chauffage et à la recombinaison Auger. L'EQE en fonction du courant d'injection est dépeint en Fig. 3b. L'EQE maximum 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 SEDL chirpé à teneur en Al croissante sont plus élevées que celles des échantillons B et C avec SEDL uniformes et à teneur en Al déclinante, ce qui démontre une recombinaison radiative plus efficace dans l'échantillon D. Les caractéristiques courant-tension mesurées pour tous les échantillons sont montrées en Fig. 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 monocouches, la composition moyenne en Al des barrières des SEDL des échantillons C et D est de 62,5 % tandis que celle de l'échantillon B est de 65 %. La teneur en Al plus élevée conduit à une efficacité de dopage plus faible et une résistance plus élevée, résultant en l'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, résultant en l'efficacité de paroi maximale (WPE) de 2,41 %. Les spectres d'électroluminescence à 10 mA sont montrés en Fig. 3d. Les émissions de pic des quatre échantillons sont toutes autour de 275 nm, et la tendance de l'intensité de pic est la même que la LOP. Cela indique également que le SEDL chirpé à teneur en Al croissante est disponible pour l'amélioration des performances du dispositif LED DUV.

Pour mettre en lumière le mécanisme responsable de cette amélioration, des simulations théoriques ont été effectuées par le programme APSYS et les résultats sont affichés en Fig. 4. La densité de courant électronique et la densité de courant de trous près de la région active à 200 mA sont calculées en Fig. 4a et b. On peut constater que les densités de courant d'injection électronique des échantillons avec SEDL sont légèrement inférieures à celles de l'échantillon A sans SEDL, tandis que la situation est inverse pour l'injection de courant de trous, illustrant que la SEDL est capable de décélérer l'électron de la couche d'injection électronique AlGaN de type n et de favoriser l'injection de trous en conséquence. Les taux de recombinaison radiative pour tous les échantillons ont été calculés en Fig. 4c. Avec l'incorporation de différentes SEDL, le taux de recombinaison radiative dans les puits quantiques proches 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 deviennent progressivement uniformes, ce qui est presque le même pour l'échantillon D avec SEDL chirpé à teneur en Al croissante. Cela indique davantage que la SEDL peut équilibrer l'injection des porteurs électroniques et de trous dans la région active et favoriser la recombinaison radiative dans les premiers puits quantiques proches des couches de type n en même temps. En résultat, les IQE pour les quatre échantillons ont été simulées et tracées en Fig. 4d. L'IQE de l'échantillon D est la plus élevée, ce qui est cohérent avec l'EQE en Fig. 4b. De plus, le droop d'efficacité dans l'échantillon avec SEDL est apparemment amélioré. Dans toute la gamme de courant d'injection, le droop d'efficacité est de 70,33 %, 59,79 %, 48,93 % et 36,26 % pour les échantillons A, B, C et D respectivement, défini comme droop d'efficacité = (IQE_max − IQE_250 mA)/IQE_max. Le droop d'efficacité est généralement pensé être causé par la fuite d'électrons et l'injection insuffisante de trous. L'amélioration du droop d'efficacité clarifie que la SEDL peut équilibrer le transport des porteurs vers la région active et favoriser la recombinaison radiative dans les puits quantiques, améliorant finalement les performances du dispositif.

La durée de vie des dispositifs a été mesurée à 20 mA et température ambiante. Pour chaque échantillon, pour assurer l'exactitude des résultats, 10 puces ont été sélectionnées aléatoirement et la moyenne de la LOP relative d'entre elles à différents temps de contrainte a été tracée en Fig. 5. Comme montré, comparé à l'échantillon A, la durée de vie des échantillons avec SEDL est évidemment prolongée. La dégradation des dispositifs LED est partiellement liée à l'accumulation de défauts, aux canaux conducteurs ohmiques et à l'injection de porteurs déficiente. L'amélioration de la durée de vie vérifie davantage que la SEDL pourrait équilibrer le transport d'électrons et de trous et favoriser l'injection de porteurs dans la région active. De plus, la durée de vie moyenne de fonctionnement pour l'échantillon D avec SEDL chirpé à teneur en Al croissante est de plus de 10 000 h à L50, ce qui est adéquat pour l'application pratique.

Conclusion

Les effets de la couche de décélération électronique en 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 proches des couches de type n. L'augmentation de la recombinaison radiative conduit ensuite à l'amélioration des performances du dispositif LED DUV. Les LED DUV basées sur AlGaN ont été fabriquées en puces de 762 × 762 μm², présentant une émission à pic unique à 275 nm. Une efficacité quantique externe de 3,43 % et une tension de fonctionnement de 6,4 V sont mesurées à un courant direct de 40 mA, démontrant que l'efficacité de paroi est de 2,41 % pour les LED DUV avec SEDL chirpé à teneur en Al croissante. La durée de vie de la LED DUV avec SEDL chirpé à teneur en Al croissante est mesurée à plus de 10 000 h à L50, due à la promotion de l'injection de porteurs. Une amélioration supplémentaire peut être attendue en introduisant le décollement laser, le rugueux de surface, l'électrode réfléchissante et l'encapsulation. En général, la LED DUV conçue avec SEDL chirpé montre une propriété électrique satisfaisante, une performance optique favorable et une fiabilité désirable, ce qui est prometteur pour la purification d'eau à haute efficacité et la stérilisation de surface.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données et matériaux dans le manuscrit sont disponibles.

Abréviations

APSYS :: Advance Physical Model of Semiconductor Devices
BF-STEM :: Microscopie électronique en transmission à champ clair en balayage
CIE :: Efficacité d'injection de porteurs
DUV :: Ultraviolet profond
EBL :: Couche de blocage d'électrons
EQE :: Efficacité quantique externe
FWHM :: Largeur à mi-hauteur
HR-XRD :: Diffraction des rayons X à haute résolution
IQE :: Efficacité quantique interne
LED :: Diode électroluminescente
LEE :: Efficacité d'extraction de lumière
LOP :: Puissance de sortie lumineuse
MOCVD :: Dépôt chimique en phase vapeur organométallique
SEDL :: Couche de décélération électronique en super-réseau
SRH :: Shockley-Read-Hall
TDD :: Densité de dislocations de filetage
TMA :: Triméthylaluminium
TMG :: Triméthylgallium
WPE :: Efficacité de paroi
XRC :: Courbe de rocking aux rayons X

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