تتميز مواد أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض التي يمثلها GaN و SiC بمزايا انجراف التشبع الإلكتروني السريع ومقاومة الإشعاع القوية ، ولديها مجموعة واسعة من التطبيقات في إضاءة الحالة الصلبة والطاقة الإلكترونية والاتصالات المتنقلة. من بينها ، تعتبر إضاءة الحالة الصلبة ذات أهمية كبيرة لتحسين الاحترار العالمي اليوم وتدهور البيئة البيئية. بالإضافة إلى توفير الطاقة وحماية البيئة ، تم استخدام مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية التي تمثلها الثنائيات الباعثة للضوء فوق البنفسجي (DUV LEDs) على نطاق واسع في مجالات التعقيم والتطهير بسبب طاقة الفوتون الكبيرة. بصفتها شركة رائدة في تصنيع الرقائق ، توفر PAM-XIAMEN رقائق الويفر الفوقية AlGaN / GaN لتصنيع LED ، يرجى الرجوع إلىhttps://www.powerwaywafer.com/gan-wafer/epitaxial-wafer.htmlلهياكل محددة.
الشكل 1 هيكل فوق المحور النموذجي لجهاز DUV LED
يمكن تقسيم مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية إلى: مصابيح LED UVA (320 نانومتر <<400 نانومتر) ، مصابيح LED UVB (280 نانومتر <λ <320 نانومتر) ، مصابيح LED UVC (200 نانومتر <<280 نانومتر) و VUV (10 نانومتر) < <200 نانومتر) ، حيث يكون الطول الموجي لانبعاث DUV LED أقصر من 360 نانومتر. تتميز مادة AlGaN بخصائص فجوة النطاق المباشرة وفجوة النطاق القابلة للتعديل (3.4 eV ~ 6.2 eV) ، والتي تغطي معظم نطاق انبعاث الأشعة فوق البنفسجية (200 نانومتر ~ 365 نانومتر) ، لذلك تصبح مادة مثالية لإعداد مصابيح DUV LED. يمكننا توفير رقاقة epi UV LED بطول موجة 275nm ~ 405nm ، المواصفات يرجى الاطلاعhttps://www.powerwaywafer.com/uv-led-wafer-2.html. في السنوات الأخيرة ، بفضل تقنية التحضير الأكثر مثالية لمواد AlGaN ، حققت مصابيح DUV LED أيضًا تقدمًا وتطورًا كبيرًا.
ومع ذلك ، لا تزال مصابيح DUV LED المبنية على مواد AlGaN تواجه العديد من المشكلات. من بينها ، كفاءة حقن الناقل المنخفضة تحد من أداء الجهاز لمصابيح DUV LED ، وخاصة كفاءة حقن الفتحات. من ناحية ، مع زيادة تكوين Al ، تزداد طاقة التأين لشوائب Mg تدريجيًا ، مما يؤدي إلى معدل تأين منخفض للغاية لـ Mg ؛ حركة منطقة المصدر ، وخاصة الثقوب ، منخفضة نسبيًا.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن التركيز المنخفض للفتحة والتنقل المنخفض للفتحة سوف يتسببان في احتشاد التيار بشكل أساسي تحت القطب ، مما يتسبب في تأثير الازدحام الحالي. نتيجة لذلك ، يزداد التركيز المحلي للناقلات ، ويزداد احتمال إعادة تركيب أوجيه في المنطقة النشطة ، وتزداد درجة حرارة الوصلة للجهاز ، ويتأثر عمر خدمة DUV LED.
إذن ، كيف تحل هذه المشكلة؟ نشارك العديد من الحلول معك.
نظرًا لكفاءة حقن الفتحات المنخفضة في أجهزة DUV LED ، قام الباحثون بتحسين هيكل أجهزة DUV LED ، واقترحوا مفهوم تقاطع الأنفاق المنظم عازلًا ، وذاكرة المجال الكهربائي ، و p-Alyجا1 صلا يوجدxجا1-سلا يوجدyجا1 صN (x <y) EBL والتدابير الأخرى لتحسين كفاءة حقن الفتحات. على وجه التحديد على النحو التالي:
1. مفرق نفق منظم عازلًا
يتم تبخير القطب الكهربائي من النوع p لمصابيح LED التقليدية وتبخيره مباشرة على طبقة أشباه الموصلات من النوع p ، وتؤدي كفاءة المنشطات المنخفضة للمغنيسيوم إلى منطقة استنفاد ثقب واضحة في طبقة أشباه الموصلات من النوع p ، مما يزيد من جهد التشغيل للجهاز ويقلل من تركيز الفتحة في طبقة الإمداد.
تحقيقا لهذه الغاية ، يقترح الباحثون استخدام تقاطعات الأنفاق التقليدية المتجانسة (p + -GaN / n + -GaN) وتقاطعات الأنفاق المستقطبة (p + -GaN / InGaN / n + -GaN) ، حيث يتم استخدام طبقة n + -GaN كمعدن. طبقة التلامس ، وتحسين حقن الفتحة والخصائص الكهربائية لأجهزة LED. بالنسبة لمصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية ، تتميز طبقة الإقحام InGaN بامتصاص ضوء خطير للفوتونات في النطاق فوق البنفسجي.
في الوقت نفسه ، مع الأخذ في الاعتبار أن السماحية النسبية لمادة AlGaN تتناقص مع زيادة تكوين AlN ، كما هو موضح في الشكل 2 (أ) ، استخدم فريق بحث معين مادة AlGaN كطبقة إدخال ، واقترح مفهوم تقاطع النفق المنظم عازلًا . يزيد المجال الكهربائي للتقاطع المحسن من احتمال نفق الإلكترون ، وبالتالي زيادة تركيز ثقب عدم التوازن في طبقة p + -GaN.
الشكل 2 (أ) العلاقة بين السماحية النسبية وتكوين AlN لـ Alxجا1-سطبقة N (ب) الجهاز مع تقاطع نفق تقليدي متجانس (A1) والجهاز مع توزيع المجال الكهربي لتقاطع نفق عازل (A2) في منطقة تقاطع النفق. يوضح الشكل الداخلي العلاقة بين ذروة المجال الكهربائي ومستوى الاستقطاب في منطقة تقاطع النفق.
2. ذاكرة المجال الكهربائي
تشتمل طبقة إمداد الثقب لجهاز DUV LED التقليدي على جزأين ، طبقة p-AlGaN وطبقة p-GaN. في الواجهة بين الاثنين ، يوجد ارتفاع حاجز (أي Φh) يمنع حقن الثقوب من طبقة p-GaN إلى طبقة p-AlGaN ، لذلك يتم إنشاء منطقة استنفاد ثقب بالقرب من طبقة p-AlGaN بالقرب من طبقة p-GaN ، مثل الشكل 3 (أ) ، ويزداد عرض منطقة النضوب بمقدار Φh ، مما يتسبب في استنفاد الثقوب بشدة في طبقة p-AlGaN.
رداً على هذه المشكلة ، وجد الباحثون أن اتجاه المجال الكهربائي للنضوب يتوافق مع اتجاه نقل الحفرة ، والذي يمكن أن يسرع الثقوب إلى حد معين ويزيد من قدرة الثقوب على أن تحقن في المنطقة النشطة ، كما هو موضح في الشكل 3 (ب). Φh يضمن أن المجال الكهربائي المستنفد في طبقة p-AlGaN غير محمي بواسطة ناقلات حرة. لذلك توصل فريق البحث إلى مفهوم ذاكرة المجال الكهربائي ، حيث يمكن للثقوب أن تحصد الطاقة باستمرار من هذا المجال الكهربائي المستنفد.
الشكل 3 (أ) مخطط نطاق الطاقة المقابل لطبقة إمداد الثقب p-Alxجا1-سN / p-GaN غير المتجانسة لجهاز DUV LED ، حيث يكون p-Alxجا1-سطبقة N لها منطقة استنفاد بينية ؛ (ب) رسم تخطيطي لاتجاه المجال الكهربائي في منطقة النضوب في واجهة p-Alxجا1-سطبقة N.
3. p-Alyجا1 صلا يوجدxجا1-سلا يوجدyجا1 صN (x <y) EBL
يمنع p-EBL تسرب الإلكترون ويعيق أيضًا حقن الفتحة في المنطقة النشطة. يوضح الشكل 4 (أ) أن عددًا كبيرًا من الثقوب سوف يتراكم عند السطح البيني p-EBL / p-AlGaN ، ويتم حقن عدد قليل فقط من الثقوب ذات الطاقة العالية في المنطقة النشطة من خلال آلية الإشعاع الحراري (أي P1).
يُقترح إدخال طبقة رقيقة من مادة ذات عرض نطاق منخفض بالقرب من طبقة p-AlGaN في EBL. يتم تقليل تراكم الثقوب في واجهة p-EBL / p-AlGaN بواسطة آلية النفق داخل النطاق (أي P0) ، ثم يتم حقن الثقوب في المنطقة النشطة من خلال آلية الإشعاع الحراري (P2) ، كما هو موضح في الأشكال 4 (ب) ، 4 (ج).
الشكل 4 (أ) مخطط نطاق الطاقة لجهاز DUV LED التقليدي ؛ (ب) مخطط نطاق الطاقة لجهاز DUV LED مع p-Alxجا1-سغير متاحyجا1 صغير متاحxجا1-سN (x> y) EBL ؛ (ج) خرائط توزيع الفتحات لطبقات p-EBL و p-AlGaN.
4. زيادة تأثير الاستقطاب على حقن الثقب
نيتريد III-V لها خاصية فيزيائية مهمة ، تأثير الاستقطاب. بالنسبة للتوجه البلوري التقليدي [0001] DUV LED ، فإن تأثير الاستقطاب لا يؤدي فقط إلى تأثير Stark للحصر الكمي ، بل يؤثر أيضًا بشكل خطير على كفاءة حقن الناقل ، مما يؤدي إلى تدهور أداء الجهاز. ومع ذلك ، عندما تم تغيير مستوى الاستقطاب لهيكل جهاز DUV LED ككل ، كان أداء الجهاز مع الاتجاه البلوري [0001] (مستوى الاستقطاب أكبر من 0) أفضل بكثير من مستوى [000-1] البلوري. الاتجاه ، وزادت طاقة الخرج البصري مع زيادة مستوى الاستقطاب وتحسينه بشكل أكبر. يوضح الشكلان 5 (أ) و 5 (ب) أنه في ظل مستويات الاستقطاب المختلفة ، يختلف توزيع الثقوب في المنطقة النشطة و p-EBL وطبقة إمداد الفتحات تمامًا.
تمت دراسة هذه الظاهرة ، ووجد أن زيادة مستوى الاستقطاب في واجهة p-EBL / p-AlGaN / p-GaN يزيد من طاقة الثقوب من جهة ، ويضعف ارتفاع حاجز p-EBL إلى الثقوب الموجودة على من ناحية أخرى ، وبالتالي تحسين كفاءة حقن الثقب وتحسين أداء الجهاز من DUV LED.
الشكل 5 عندما يكون تيار الحقن 35 مللي أمبير ، (أ) العلاقة بين قدرة الخرج البصري ومستوى الاستقطاب لجهاز DUV LED ؛ (ب) توزيع الثقوب في الآبار الكمية وطبقات p-AlGaN وطبقات p-GaN عند مستويات الاستقطاب المختلفة
5. زيادة تكوين AlN للحاجز الكمومي يحسن حقن الثقب
لقد وجد أيضًا أن آخر حاجز كمي والشحنة المستقطبة في واجهة p-EBL لهما تأثيرات مهمة على كفاءة حقن الثقب. عندما يتم زيادة تكوين الحاجز الكمومي بشكل مناسب (E3> E2> E1) ، يزداد تركيز الإلكترون في البئر الكمومي بشكل كبير ، وهذا يرجع أساسًا إلى تعزيز قدرة الحاجز الكمومي على ربط الإلكترونات. وبالمثل ، فإن تأثير الانسداد للحاجز الكمومي على الثقوب سيتعزز بشكل كبير ، وهو أمر غير ملائم من الناحية النظرية لحقن الثقوب. لكن نتيجة البحث تظهر أن الثقوب تزداد مع زيادة تكوين الحاجز الكمومي. هذا لأنه مع زيادة تكوين AlN في الحاجز الكمومي ، ينخفض عدم تطابق الاستقطاب بين آخر حاجز كمي و p-EBL ، مما يضعف قدرة حجب p-EBL على الثقوب ، وبالتالي تحسين المنطقة النشطة ، انظر الشكل 6 ( ج).
الشكل 6 (ج) رسم تخطيطي لنطاق الطاقة لجهاز UVA LED
بالإضافة إلى البحث عن اختراقات في تقنية النمو فوق المحور ، فإن فهم الآلية المادية الداخلية لمصابيح DUV LED سيساعد الباحثين في هذا المجال على فهم أفضل لمصابيح DUV LED وتحسين أداء أجهزة DUV LED.
لمزيد من المعلومات ، يرجى الاتصال بنا على البريد الإلكتروني على victorchan@powerwaywafer.com و powerwaymaterial@gmail.com.