¿Cómo mejorar la eficiencia de inyección de agujeros de los LED DUV?

¿Cómo mejorar la eficiencia de inyección de agujeros de los LED DUV?

Los materiales semiconductores de banda ancha representados por GaN y SiC tienen las ventajas de una rápida deriva de saturación de electrones y una fuerte resistencia a la radiación, y tienen una amplia gama de aplicaciones en iluminación de estado sólido, energía electrónica y comunicaciones móviles. Entre ellos, la iluminación de estado sólido es de gran importancia para mejorar el calentamiento global actual y el deterioro del medio ambiente ecológico. Además del ahorro de energía y la protección del medio ambiente, los LED UV representados por diodos emisores de luz ultravioleta profunda (LED DUV) se han utilizado ampliamente en campos de esterilización y desinfección debido a su gran energía de fotones. Como fabricante líder de obleas, PAM-XIAMEN ofrece obleas epitaxiales de AlGaN/GaN para la fabricación de LED, consultehttps://www.powerwaywafer.com/gan-wafer/epitaxial-wafer.htmlpara estructuras específicas.

Estructura epitaxial típica de DUV LED

Fig.1 Estructura epitaxial típica del dispositivo LED DUV

Los LED UV se pueden subdividir en: LED UVA (320 nm<λ<400 nm), LED UVB (280 nm<λ<320 nm), LED UVC (200 nm<λ<280 nm) y VUV (10 nm) <λ <200 nm), donde la longitud de onda de emisión del LED DUV es inferior a 360 nm. El material AlGaN tiene las características de banda prohibida directa y banda prohibida ajustable (3,4 eV~6,2 eV), cubriendo la mayor parte de la banda de emisión ultravioleta (200 nm ~ 365 nm), por lo que se convierte en un material ideal para la preparación de LED DUV. Podemos suministrar oblea epi UV LED con una longitud de onda de 275nm~405nm, consulte las especificacioneshttps://www.powerwaywafer.com/uv-led-oblea-2.html. En los últimos años, gracias a la tecnología de preparación más perfecta de los materiales AlGaN, los LED DUV también han logrado un gran progreso y desarrollo.

Sin embargo, los LED DUV basados ​​en materiales AlGaN todavía enfrentan muchos problemas. Entre ellos, la baja eficiencia de inyección de portadores limita el rendimiento del dispositivo de los LED DUV, especialmente la eficiencia de inyección de orificios. Por un lado, con el aumento de la composición de Al, la energía de ionización de la impureza de Mg aumenta gradualmente, dando como resultado una tasa de ionización de Mg extremadamente baja; la movilidad de la región fuente, especialmente los agujeros, es relativamente baja.

Además, la baja concentración de agujeros y la baja movilidad de los agujeros harán que la corriente se acumule principalmente debajo del electrodo, provocando el efecto de acumulación de corriente. Como resultado, aumenta la concentración local de portadores, aumenta la probabilidad de recombinación Auger en la región activa, aumenta la temperatura de unión del dispositivo y se ve afectada la vida útil del LED DUV.

Entonces, ¿cómo resolver este problema? Compartimos varias soluciones contigo.

En vista de la baja eficiencia de inyección de agujeros en los dispositivos LED DUV, los investigadores optimizaron la estructura de los dispositivos LED DUV y propusieron el concepto de unión de túnel regulada dieléctricamente, memoria de campo eléctrico, p-AlyGeorgia1 añoN/p-AlxGeorgia1-xN/p-AlyGeorgia1 añoN (x<y) EBL y otras medidas para mejorar la eficiencia de inyección en pozo. Específicamente de la siguiente manera:

1. Unión de túnel regulada dieléctricamente

El electrodo de tipo p del LED tradicional se pulveriza y evapora directamente en la capa de semiconductor de tipo p, y la baja eficiencia de dopaje de Mg conduce a una región obvia de agotamiento de agujeros en la capa de semiconductor de tipo p, lo que aumenta el voltaje de funcionamiento del dispositivo. y reduce la concentración de agujeros en la capa de suministro.

Para ello, los investigadores proponen utilizar uniones túnel homogéneas tradicionales (p+-GaN/n+-GaN) y uniones túnel polarizadas (p+-GaN/InGaN/n+-GaN), en las que la capa n+-GaN se utiliza como metal capa de contacto, mejorando la inyección de agujeros y las propiedades eléctricas de los dispositivos LED. Para los LED UV, la capa de intercalación de InGaN tiene una absorción de luz importante para los fotones en la banda ultravioleta.

Al mismo tiempo, teniendo en cuenta que la permitividad relativa del material de AlGaN disminuye con el aumento de la composición de AlN, como se muestra en la Figura 2(a), cierto equipo de investigación utilizó material de AlGaN como capa de inserción y propuso el concepto de unión de túnel regulada dieléctricamente. . El campo eléctrico de unión mejorado aumenta la probabilidad de tunelización de electrones, lo que aumenta la concentración de huecos en desequilibrio en la capa de p+-GaN.

Fig.2 Relación entre la permitividad relativa de la capa AlxGa1-xN y la composición de AlN

Fig. 2 (a) La relación entre la permitividad relativa y la composición de AlN del AlxGeorgia1-xcapa N; (b) el dispositivo con unión de tunelización homogénea convencional (A1) y el dispositivo con unión de tunelización dieléctrica sintonizable (A2) distribución de campo eléctrico en la región de la unión de túnel. El recuadro muestra la relación entre el campo eléctrico máximo y el nivel de polarización en la región de unión del túnel.

2. Memoria de campo eléctrico

La capa de suministro de orificios del dispositivo LED DUV convencional incluye dos partes, una capa de p-AlGaN y una capa de p-GaN. En la interfaz entre los dos, hay una altura de barrera (es decir, Φh) que evita que se inyecten agujeros desde la capa de p-GaN a la capa de p-AlGaN, por lo que se genera una región de agotamiento de agujeros cerca de la capa de p-AlGaN cerca de la capa de p-GaN, como la Figura 3 (a), y el ancho de la región de agotamiento aumenta con Φh, lo que hace que los agujeros se agoten gravemente en la capa de p-AlGaN.

En respuesta a este problema, los investigadores encontraron que la dirección del campo eléctrico de agotamiento es consistente con la dirección del transporte de agujeros, lo que puede acelerar los agujeros hasta cierto punto y aumentar la capacidad de los agujeros para inyectarse en la región activa, como se muestra en Figura 3(b). Φh asegura que el campo eléctrico de agotamiento en la capa de p-AlGaN no esté protegido por portadores libres. Entonces, el equipo de investigación ideó el concepto de una memoria de campo eléctrico, en la que los agujeros pueden recolectar energía continuamente de este campo eléctrico que se agota.

Fig.3 Diagrama de bandas de energía correspondiente a la capa de suministro de huecos heterounión p-AlxGa1-xN p-GaN

Fig. 3 (a) El diagrama de banda de energía correspondiente de la capa de suministro de agujeros p-AlxGeorgia1-xHeterounión N/p-GaN del dispositivo DUV LED, en el que el p-AlxGeorgia1-xLa capa N tiene una región de agotamiento interfacial; (b) Diagrama esquemático de la dirección del campo eléctrico en la región de agotamiento en la interfaz del p-AlxGeorgia1-xcapa N.

3. p-AlyGeorgia1 añoN/p-AlxGeorgia1-xN/p-AlyGeorgia1 añoN (x<y) LBE

p-EBL prevents electron leakage and also hinders hole injection into the active region. Figure 4(a) shows that a large number of holes will accumulate at the p-EBL/p-AlGaN interface, and only a few holes with high energy are injected into the active region through the thermal radiation mechanism (i.e. P1).

Inserting a thin layer of low-bandwidth material near the p-AlGaN layer in the EBL is suggested. The accumulation of holes at the p-EBL/p-AlGaN interface is reduced by the in-band tunneling mechanism (i.e. P0), and then the holes are injected into the active region through the thermal radiation mechanism (P2), as shown in Figures 4(b), 4(c).

Fig. 4 Schematic diagram of DUV LED device with p-AlxGa1-xN AlyGa1-yN AlxGa1-xN EBL

Fig. 4 (a) energy band diagram of conventional DUV LED device; (b) energy band diagram of DUV LED device with p-AlxGeorgia1-xN/AlyGeorgia1 añoN/AlxGeorgia1-xN (x>y) EBL; (c) hole distribution maps of p-EBL and p-AlGaN layers.

4. Increase Polarization Effect on Hole Injection

Los nitruros III-V tienen una propiedad física importante, el efecto de polarización. Para el LED DUV de orientación de cristal tradicional [0001], el efecto de polarización no solo conduce al efecto Stark de confinamiento cuántico, sino que también afecta seriamente la eficiencia de inyección del portador, lo que resulta en la degradación del rendimiento del dispositivo. Sin embargo, cuando el nivel de polarización de la estructura del dispositivo LED DUV se cambió en su totalidad, el rendimiento del dispositivo con la orientación cristalográfica [0001] (nivel de polarización superior a 0) fue significativamente mejor que el del dispositivo cristalográfico [000-1]. orientación, y la potencia de salida óptica aumentó con el nivel de polarización aumentado y mejorado aún más. Las Figuras 5(a) y 5(b) muestran que bajo diferentes niveles de polarización, la distribución de agujeros en la región activa, p-EBL y la capa de suministro de agujeros es bastante diferente.

Se estudia este fenómeno y se encuentra que el aumento del nivel de polarización en la interfaz p-EBL/p-AlGaN/p-GaN aumenta la energía de los agujeros por un lado y debilita la altura de la barrera de p-EBL a los agujeros en por otro lado, mejorando así la eficiencia de inyección de agujeros y mejorando el rendimiento del dispositivo del LED DUV.

Fig. 5 Influencia del efecto de polarización en la inyección del hueco

la Fig. 5 cuando la corriente de inyección es de 35 mA, (a) la relación entre la potencia de salida óptica y el nivel de polarización del dispositivo LED DUV; (b) distribución de agujeros en pozos cuánticos, capas de p-AlGaN y capas de p-GaN a diferentes niveles de polarización

5. El aumento de la composición de AlN de la barrera cuántica mejora la inyección en el orificio

También se encontró que la última barrera cuántica y la carga polarizada en la interfaz p-EBL tienen efectos importantes en la eficiencia de inyección del hueco. Cuando la composición de la barrera cuántica aumenta adecuadamente (E3>E2>E1), la concentración de electrones en el pozo cuántico aumenta significativamente, lo que se debe principalmente a que se mejora la capacidad de la barrera cuántica para unir electrones. De manera similar, el efecto de bloqueo de la barrera cuántica en los agujeros también se verá significativamente mejorado, lo que teóricamente es desfavorable para la inyección de agujeros. Pero el resultado de la investigación muestra que los agujeros aumentan con el aumento de la composición de la barrera cuántica. Esto se debe a que con el aumento de la composición de AlN en la barrera cuántica, el desajuste de polarización entre la última barrera cuántica y p-EBL disminuye, lo que debilita la capacidad de bloqueo de p-EBL a los agujeros, mejorando así la región activa, ver figura 6( C).

Fig. 6 Diagrama esquemático de la banda de energía del dispositivo UVA LED

Fig. 6 (c) Diagrama esquemático de la banda de energía del dispositivo UVA LED

Además de buscar avances en la tecnología de crecimiento epitaxial, comprender el mecanismo físico interno de los LED DUV ayudará a los investigadores en el campo a comprender mejor los LED DUV y mejorar el rendimiento de los dispositivos LED DUV.

Para obtener más información, contáctenos por correo electrónico a victorchan@powerwaywafer.com y powerwaymaterial@gmail.com.

Compartir esta publicacion