De brede båndgab-halvledermaterialer repræsenteret af GaN og SiC har fordelene ved hurtig elektronmætningsdrift og stærk strålingsmodstand og har en bred vifte af anvendelser inden for solid-state belysning, elektronisk strøm og mobil kommunikation. Blandt dem er faststofbelysning af stor betydning for at forbedre nutidens globale opvarmning og forringelsen af ​​det økologiske miljø. Ud over energibesparelse og miljøbeskyttelse er UV-LED'er repræsenteret af dybe ultraviolette lysdioder (DUV LED'er) blevet meget brugt i steriliserings- og desinfektionsområder på grund af deres store fotonenergi. Som en førende waferproducent leverer PAM-XIAMEN AlGaN / GaN epitaksiale wafere til LED-fremstilling, se venligsthttps://www.powerwaywafer.com/gan-wafer/epitaxial-wafer.htmltil specifikke strukturer.

Fig.1 Typisk epitaksial struktur af DUV LED-enhed

UV LED'er kan opdeles i: UVA LED'er (320 nm<λ<400 nm), UVB LED'er (280 nm<λ<320 nm), UVC LED'er (200 nm<λ<280 nm) og VUV (10 nm) <λ <200 nm), hvor emissionsbølgelængden af ​​DUV LED er kortere end 360 nm. AlGaN-materialet har karakteristika af direkte båndgab og justerbar båndgab (3,4 eV~6,2 eV), der dækker det meste af det ultraviolette emissionsbånd (200 nm ~ 365 nm), så det bliver et ideelt materiale til fremstilling af DUV LED'er. Vi kan levere UV LED epi wafer med bølgelængde på 275nm ~ 405nm, specifikation se venligsthttps://www.powerwaywafer.com/uv-led-wafer-2.html. I de senere år har DUV LED'er, takket være den mere perfekte forberedelsesteknologi af AlGaN materialer, også gjort store fremskridt og udvikling.

DUV LED'er baseret på AlGaN-materialer står dog stadig over for mange problemer. Blandt dem begrænser lavbærerindsprøjtningseffektiviteten enhedens ydeevne af DUV LED'er, især hulindsprøjtningseffektiviteten. På den ene side, med stigningen af ​​Al-sammensætning, øges ioniseringsenergien af ​​Mg-urenhed gradvist, hvilket resulterer i ekstremt lav ioniseringshastighed af Mg; mobiliteten af ​​kildeområdet, især hullerne, er relativt lav.

Desuden vil lav hulkoncentration og lav hulmobilitet få strømmen til at trænge sig hovedsageligt under elektroden, hvilket forårsager strømtrængningseffekten. Som følge heraf øges den lokale koncentration af bærere, Auger-rekombinationssandsynligheden i det aktive område øges, enhedens overgangstemperatur øges, og DUV-LED'ens levetid påvirkes.

Så hvordan løser man dette problem? Vi deler flere løsninger med dig.

I lyset af den lave hulindsprøjtningseffektivitet i DUV LED-enheder optimerede forskerne strukturen af ​​DUV LED-enheder og foreslog konceptet med dielektrisk reguleret tunnelforbindelse, elektrisk felthukommelse, p-Al_yga_1-årN/p-Al_xga_1-xN/p-Al_yga_1-årN (x<y) EBL og andre foranstaltninger til forbedring af hulinjektionseffektiviteten. Helt konkret som følger:

1. Dielektrisk Reguleret Tunneling Junction

P-type-elektroden af ​​traditionel LED sputteres og fordampes direkte på p-type-halvlederlaget, og den lave Mg-dopingeffektivitet fører til et åbenlyst huludtømningsområde i p-type-halvlederlaget, hvilket øger enhedens driftsspænding og reducerer hulkoncentrationen i forsyningslaget.

Til dette formål foreslår forskerne at bruge traditionelle homogene tunnelforbindelser (p+-GaN/n+-GaN) og polariserede tunnelforbindelser (p+-GaN/InGaN/n+-GaN), hvori n+-GaN laget bruges som metal. kontaktlag, hvilket forbedrer hulindsprøjtningen og de elektriske egenskaber af LED-enheder. For UV-LED'er har InGaN-interkalationslaget alvorlig lysabsorption for fotoner i det ultraviolette bånd.

På samme tid, i betragtning af at den relative permittivitet af AlGaN-materiale falder med stigningen af ​​AlN-sammensætning, som vist i figur 2(a), brugte visse forskerhold AlGaN-materiale som indføringslaget og foreslog konceptet med dielektrisk reguleret tunnelkryds . Det forbedrede elektriske krydsfelt øger sandsynligheden for elektrontunneling og øger derved koncentrationen af ​​ikke-ligevægtshul i p+-GaN-laget.

Fig. 2 (a) Forholdet mellem den relative permittivitet og AlN-sammensætningen af ​​Al_xga_1-xN-lag; (b) indretningen med konventionel homogen tunnelforbindelse (A1) og indretningen med dielektrisk afstembar tunnelforbindelse (A2) elektrisk feltfordeling i tunnelforbindelsesområdet. Indsatsen viser forholdet mellem det maksimale elektriske felt og polarisationsniveauet i tunnelforbindelsesområdet.

2. Elektrisk felthukommelse

Hulforsyningslaget på den konventionelle DUV LED-enhed omfatter to dele, et p-AlGaN-lag og et p-GaN-lag. Ved grænsefladen mellem de to er der en barrierehøjde (dvs. Φh), der forhindrer huller i at blive injiceret fra p-GaN-laget til p-AlGaN-laget, så der genereres et huludtømningsområde nær p-AlGaN-laget i nærheden af p-GaN-lag, såsom figur 3(a), og bredden af ​​udtømningsområdet øges med Φh, hvilket forårsager, at hullerne bliver alvorligt udtømte i p-AlGaN-laget.

Som svar på dette problem fandt forskerne, at retningen af ​​det elektriske udtømningsfelt er i overensstemmelse med retningen for hultransport, hvilket kan accelerere huller til en vis grad og øge hullernes evne til at blive sprøjtet ind i det aktive område, som vist i Figur 3(b). Φh sikrer, at det elektriske udtømningsfelt i p-AlGaN-laget ikke er afskærmet af frie bærere. Så forskerholdet fandt på konceptet med en elektrisk felthukommelse, hvor huller kontinuerligt kan høste energi fra dette udtømmende elektriske felt.

Fig. 3 (a) Det tilsvarende energibånddiagram for hulforsyningslaget p-Al_xga_1-xN/p-GaN heterojunction af DUV LED-enheden, hvor p-Al_xga_1-xN-laget har et grænsefladeudtømningsområde; (b) Skematisk diagram af retningen af ​​det elektriske felt i udtømningsområdet ved grænsefladen af ​​p-Al_xga_1-xN lag.

3. p-Al_yga_1-årN/p-Al_xga_1-xN/p-Al_yga_1-årN (x<y) EBL

p-EBL forhindrer elektronlækage og forhindrer også hulinjektion i det aktive område. Figur 4(a) viser, at et stort antal huller vil akkumulere ved p-EBL/p-AlGaN-grænsefladen, og kun få huller med høj energi sprøjtes ind i det aktive område gennem den termiske strålingsmekanisme (dvs. P1).

Det foreslås at indsætte et tyndt lag af materiale med lav båndbredde nær p-AlGaN-laget i EBL. Akkumuleringen af ​​huller ved p-EBL/p-AlGaN-grænsefladen reduceres af tunnelmekanismen i båndet (dvs. P0), og derefter sprøjtes hullerne ind i det aktive område gennem den termiske strålingsmekanisme (P2), som vist i Figur 4(b), 4(c).

Fig. 4 (a) energibånddiagram for konventionel DUV LED-enhed; (b) energibånddiagram for DUV LED-enhed med p-Al_xga_1-xN/Al_yga_1-årN/Al_xga_1-xN (x>y) EBL; (c) hulfordelingskort af p-EBL- og p-AlGaN-lag.

4. Øg polarisationseffekten på hulinjektion

III-V nitrides have an important physical property, the polarization effect. For the traditional [0001] crystal orientation DUV LED, the polarization effect not only leads to the quantum confinement Stark effect, but also seriously affects the carrier injection efficiency, resulting in the degradation of device performance. However, when the polarization level of the DUV LED device structure was changed as a whole, the performance of the device with the [0001] crystallographic orientation (polarization level greater than 0) was significantly better than that of the [000-1] crystallographic orientation, and the optical output power increased with the polarization level increased and further improved. Figures 5(a) and 5(b) show that under different polarization levels, the distribution of holes in the active region, p-EBL and hole supply layer is quite different.

This phenomenon is studied, and it is found that increasing the polarization level at the p-EBL/p-AlGaN/p-GaN interface increases the energy of holes on the one hand, and weakens the barrier height of p-EBL to holes on the other hand, thereby improving the hole injection efficiency and improving the device performance of the DUV LED.

fig. 5, når injektionsstrømmen er 35mA, (a) forholdet mellem den optiske udgangseffekt og polarisationsniveauet af DUV LED-enheden; (b) fordeling af huller i kvantebrønde, p-AlGaN-lag og p-GaN-lag ved forskellige polarisationsniveauer

5. Forøgelse af AlN-sammensætning af kvantebarriere forbedrer hulinjektion

Det har også vist sig, at den sidste kvantebarriere og den polariserede ladning ved p-EBL-grænsefladen har vigtige effekter på hulinjektionseffektiviteten. Når kvantebarrieresammensætningen er passende øget (E3>E2>E1), øges elektronkoncentrationen i kvantebrønden betydeligt, hvilket primært skyldes, at kvantebarrierens evne til at binde elektroner er forbedret. Tilsvarende vil kvantebarrierens blokerende effekt på huller også blive væsentligt forstærket, hvilket er teoretisk ugunstigt for indsprøjtning af huller. Men forskningsresultatet viser, at hullerne øges med stigningen i kvantebarrieresammensætningen. Dette skyldes, at med stigningen af ​​AlN-sammensætning i kvantebarrieren falder polarisationsmismatchet mellem den sidste kvantebarriere og p-EBL, hvilket svækker p-EBL's blokeringsevne til huller, og derved forbedrer det aktive område, se figur 6( c).

Fig. 6 (c) Skematisk diagram af energibåndet for UVA LED-enheden

Ud over at søge gennembrud inden for epitaksial vækstteknologi, vil forståelsen af ​​den interne fysiske mekanisme af DUV LED'er hjælpe forskere på området til bedre at forstå DUV LED'er og forbedre ydeevnen af ​​DUV LED-enheder.

For mere information, kontakt os venligst e-mail på victorchan@powerwaywafer.com og powerwaymaterial@gmail.com.