Die durch GaN und SiC repräsentierten Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke haben die Vorteile einer schnellen Elektronensättigungsdrift und einer starken Strahlungsbeständigkeit und haben ein breites Anwendungsspektrum in der Festkörperbeleuchtung, der elektronischen Leistung und der mobilen Kommunikation. Unter ihnen ist Festkörperbeleuchtung von großer Bedeutung für die Verbesserung der heutigen globalen Erwärmung und der Verschlechterung der ökologischen Umwelt. Zusätzlich zur Energieeinsparung und zum Umweltschutz werden UV-LEDs, die durch tief-ultraviolette Leuchtdioden (DUV-LEDs) dargestellt werden, aufgrund ihrer großen Photonenenergie in Sterilisations- und Desinfektionsgebieten weit verbreitet verwendet. Als führender Waferhersteller bietet PAM-XIAMEN epitaxiale AlGaN/GaN-Wafer für die LED-Fertigung an, siehehttps://www.powerwaywafer.com/gan-wafer/epitaxial-wafer.htmlfür bestimmte Strukturen.

Abb. 1 Typische epitaxiale Struktur eines DUV-LED-Geräts

UV-LEDs können unterteilt werden in: UVA-LEDs (320 nm < λ < 400 nm), UVB-LEDs (280 nm < λ < 320 nm), UVC-LEDs (200 nm < λ < 280 nm) und VUV (10 nm) < λ <200 nm), wobei die Emissionswellenlänge der DUV-LED kürzer als 360 nm ist. Das AlGaN-Material hat die Eigenschaften einer direkten Bandlücke und einer einstellbaren Bandlücke (3,4 eV ~ 6,2 eV), die den größten Teil des ultravioletten Emissionsbandes (200 nm ~ 365 nm) abdecken, sodass es ein ideales Material für die Herstellung von DUV-LEDs wird. Wir können UV-LED-Epi-Wafer mit einer Wellenlänge von 275 nm bis 405 nm liefern, siehe Spezifikationhttps://www.powerwaywafer.com/uv-led-wafer-2.html. In den letzten Jahren haben dank der perfekteren Herstellungstechnologie von AlGaN-Materialien auch DUV-LEDs große Fortschritte und Entwicklungen gemacht.

DUV-LEDs auf Basis von AlGaN-Materialien sind jedoch noch mit vielen Problemen konfrontiert. Darunter begrenzt die niedrige Trägerinjektionseffizienz die Vorrichtungsleistung von DUV-LEDs, insbesondere die Lochinjektionseffizienz. Einerseits nimmt mit zunehmender Al-Zusammensetzung die Ionisationsenergie der Mg-Verunreinigung allmählich zu, was zu einer extrem niedrigen Ionisationsrate von Mg führt; die Beweglichkeit des Sourcegebiets, insbesondere der Löcher, ist relativ gering.

Außerdem bewirken eine niedrige Lochkonzentration und eine niedrige Lochmobilität, dass sich der Strom hauptsächlich unter der Elektrode drängt, was den Stromverdichtungseffekt verursacht. Als Ergebnis wird die lokale Ladungsträgerkonzentration erhöht, die Auger-Rekombinationswahrscheinlichkeit im aktiven Bereich erhöht, die Sperrschichttemperatur der Vorrichtung erhöht und die Lebensdauer der DUV-LED beeinträchtigt.

Also, wie kann man dieses Problem lösen? Wir teilen mehrere Lösungen mit Ihnen.

Angesichts der niedrigen Lochinjektionseffizienz in DUV-LED-Geräten optimierten die Forscher die Struktur von DUV-LED-Geräten und schlugen das Konzept eines dielektrisch regulierten Tunnelübergangs, eines elektrischen Feldspeichers, p-Al, vor_yGa_1-jaN/p-Al_xGa_1-xN/p-Al_yGa_1-jaN (x < y) EBL und andere Maßnahmen zur Verbesserung der Lochinjektionseffizienz. Konkret wie folgt:

1. Dielektrisch regulierter Tunnelübergang

Die Elektrode vom p-Typ einer herkömmlichen LED wird direkt auf die Halbleiterschicht vom p-Typ gesputtert und aufgedampft, und die niedrige Mg-Dotierungseffizienz führt zu einem offensichtlichen Lochverarmungsbereich in der Halbleiterschicht vom p-Typ, was die Betriebsspannung des Geräts erhöht und verringert die Lochkonzentration in der Versorgungsschicht.

Zu diesem Zweck schlagen die Forscher vor, herkömmliche homogene Tunnelübergänge (p+-GaN/n+-GaN) und polarisierte Tunnelübergänge (p+-GaN/InGaN/n+-GaN) zu verwenden, bei denen die n+-GaN-Schicht als Metall verwendet wird Kontaktschicht, wodurch die Lochinjektion und die elektrischen Eigenschaften von LED-Geräten verbessert werden. Bei UV-LEDs weist die InGaN-Interkalationsschicht eine starke Lichtabsorption für Photonen im ultravioletten Band auf.

In Anbetracht der Tatsache, dass die relative Dielektrizitätskonstante von AlGaN-Material mit zunehmender AlN-Zusammensetzung abnimmt, wie in Abbildung 2(a) gezeigt, verwendete ein bestimmtes Forschungsteam gleichzeitig AlGaN-Material als Einfügungsschicht und schlug das Konzept eines dielektrisch regulierten Tunnelübergangs vor . Das verstärkte elektrische Übergangsfeld erhöht die Tunnelwahrscheinlichkeit der Elektronen, wodurch die Nichtgleichgewichts-Lochkonzentration in der p+-GaN-Schicht erhöht wird.

Abb. 2 (a) Die Beziehung zwischen der relativen Permittivität und der AlN-Zusammensetzung des Al_xGa_1-xN-Schicht; (b) die Vorrichtung mit herkömmlichem homogenem Tunnelübergang (A1) und die Vorrichtung mit dielektrisch abstimmbarer Tunnelübergang (A2) elektrischer Feldverteilung in dem Tunnelübergangsbereich. Der Einschub zeigt die Beziehung zwischen dem elektrischen Spitzenfeld und dem Polarisationspegel im Tunnelübergangsbereich.

2. Elektrisches Feldgedächtnis

Die Lochversorgungsschicht der herkömmlichen DUV-LED-Vorrichtung umfasst zwei Teile, eine p-AlGaN-Schicht und eine p-GaN-Schicht. An der Grenzfläche zwischen den beiden gibt es eine Barrierenhöhe (dh Φh), die verhindert, dass Löcher von der p-GaN-Schicht in die p-AlGaN-Schicht injiziert werden, sodass nahe der p-AlGaN-Schicht ein Lochverarmungsbereich erzeugt wird p-GaN-Schicht, wie z. B. Fig. 3(a), und die Breite des Verarmungsbereichs nimmt mit Φh zu, was bewirkt, dass die Löcher in der p-AlGaN-Schicht stark verarmt werden.

Als Reaktion auf dieses Problem fanden die Forscher heraus, dass die Richtung des elektrischen Verarmungsfeldes mit der Richtung des Lochtransports übereinstimmt, was Löcher bis zu einem gewissen Grad beschleunigen und die Fähigkeit von Löchern erhöhen kann, in die aktive Region injiziert zu werden, wie in gezeigt Abbildung 3(b). Φh stellt sicher, dass das elektrische Verarmungsfeld in der p-AlGaN-Schicht nicht durch freie Ladungsträger abgeschirmt wird. Daher entwickelte das Forschungsteam das Konzept eines elektrischen Feldspeichers, in dem Löcher kontinuierlich Energie aus diesem sich erschöpfenden elektrischen Feld gewinnen können.

Abb. 3 (a) Das entsprechende Energiebanddiagramm der Lochversorgungsschicht p-Al_xGa_1-xN/p-GaN-Heteroübergang der DUV-LED-Vorrichtung, in der das p-Al_xGa_1-xDie N-Schicht hat einen Grenzflächen-Verarmungsbereich; (b) Schematisches Diagramm der elektrischen Feldrichtung im Verarmungsbereich an der Grenzfläche des p-Al_xGa_1-xN-Schicht.

3. p-Al_yGa_1-jaN/p-Al_xGa_1-xN/p-Al_yGa_1-jaN (x<y) EBL

p-EBL verhindert Elektronenleckage und behindert auch Lochinjektion in den aktiven Bereich. Abbildung 4(a) zeigt, dass sich eine große Anzahl von Löchern an der p-EBL/p-AlGaN-Grenzfläche ansammelt und nur wenige Löcher mit hoher Energie durch den Wärmestrahlungsmechanismus (dh P1) in den aktiven Bereich injiziert werden.

Es wird vorgeschlagen, eine dünne Schicht aus Material mit geringer Bandbreite in der Nähe der p-AlGaN-Schicht in die EBL einzufügen. Die Akkumulation von Löchern an der p-EBL/p-AlGaN-Grenzfläche wird durch den In-Band-Tunnelmechanismus (d. h. P0) reduziert, und dann werden die Löcher durch den Wärmestrahlungsmechanismus (P2) in die aktive Region injiziert, wie in gezeigt Abbildungen 4(b), 4(c).

Fig. 4 (a) Energiebanddiagramm einer herkömmlichen DUV-LED-Vorrichtung; (b) Energiebanddiagramm einer DUV-LED-Vorrichtung mit p-Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-jaN/Al_xGa_1-xN (x > y) EBL; (c) Lochverteilungskarten von p-EBL- und p-AlGaN-Schichten.

4. Erhöhen Sie den Polarisationseffekt auf die Lochinjektion

III-V-Nitride haben eine wichtige physikalische Eigenschaft, den Polarisationseffekt. Bei der herkömmlichen DUV-LED mit [0001]-Kristallorientierung führt der Polarisationseffekt nicht nur zum Quanteneinschluss-Stark-Effekt, sondern beeinträchtigt auch ernsthaft die Trägerinjektionseffizienz, was zu einer Verschlechterung der Geräteleistung führt. Wenn jedoch der Polarisationspegel der DUV-LED-Vorrichtungsstruktur als Ganzes geändert wurde, war die Leistung der Vorrichtung mit der kristallografischen [0001]-Orientierung (Polarisationspegel größer als 0) signifikant besser als die der kristallografischen [000-1]. Orientierung, und die optische Ausgangsleistung stieg mit dem erhöhten und weiter verbesserten Polarisationsniveau. Die Fig. 5(a) und 5(b) zeigen, dass bei unterschiedlichen Polarisationsniveaus die Verteilung von Löchern im aktiven Bereich, p-EBL und der Lochversorgungsschicht ziemlich unterschiedlich ist.

Dieses Phänomen wird untersucht, und es wird festgestellt, dass eine Erhöhung des Polarisationsniveaus an der p-EBL/p-AlGaN/p-GaN-Grenzfläche einerseits die Energie von Löchern erhöht und die Barrierenhöhe von p-EBL zu Löchern weiter schwächt andererseits, wodurch die Lochinjektionseffizienz verbessert wird und die Vorrichtungsleistung der DUV-LED verbessert wird.

Fig. 5, wenn der Injektionsstrom 35 mA beträgt, (a) die Beziehung zwischen der optischen Ausgangsleistung und dem Polarisationspegel der DUV-LED-Vorrichtung; (b) Verteilung von Löchern in Quantentöpfen, p-AlGaN-Schichten und p-GaN-Schichten bei unterschiedlichen Polarisationsniveaus

5. Eine Erhöhung der AlN-Zusammensetzung der Quantenbarriere verbessert die Lochinjektion

Es wurde auch festgestellt, dass die letzte Quantenbarriere und die polarisierte Ladung an der p-EBL-Grenzfläche wichtige Auswirkungen auf die Lochinjektionseffizienz haben. Wenn die Zusammensetzung der Quantenbarriere geeignet erhöht wird (E3 > E2 > E1), steigt die Elektronenkonzentration im Quantentopf signifikant an, was hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, dass die Fähigkeit der Quantenbarriere, Elektronen zu binden, verbessert wird. Ebenso wird auch die Sperrwirkung der Quantenbarriere auf Löcher deutlich verstärkt, was theoretisch ungünstig für die Injektion von Löchern ist. Das Forschungsergebnis zeigt aber, dass die Löcher mit zunehmender Zusammensetzung der Quantenbarriere zunehmen. Dies liegt daran, dass mit zunehmender AlN-Zusammensetzung in der Quantenbarriere die Polarisationsfehlanpassung zwischen der letzten Quantenbarriere und p-EBL abnimmt, was die Blockierfähigkeit von p-EBL für Löcher schwächt und dadurch den aktiven Bereich verbessert, siehe Abbildung 6 ( c).

Fig. 6 (c) Schematisches Diagramm des Energiebandes einer UVA-LED-Vorrichtung

Neben der Suche nach Durchbrüchen in der Epitaxietechnologie wird das Verständnis des internen physikalischen Mechanismus von DUV-LEDs Forschern auf diesem Gebiet helfen, DUV-LEDs besser zu verstehen und die Leistung von DUV-LED-Geräten zu verbessern.

Für weitere Informationen kontaktieren Sie uns bitte per E-Mail unter victorchan@powerwaywafer.com und powerwaymaterial@gmail.com.