Les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite représentés par GaN et SiC présentent les avantages d'une dérive de saturation électronique rapide et d'une forte résistance aux rayonnements, et ont une large gamme d'applications dans l'éclairage à semi-conducteurs, l'alimentation électronique et les communications mobiles. Parmi eux, l'éclairage à semi-conducteurs est d'une grande importance pour améliorer le réchauffement climatique actuel et la détérioration de l'environnement écologique. En plus des économies d'énergie et de la protection de l'environnement, les LED UV représentées par des diodes électroluminescentes ultraviolettes profondes (DUV LED) ont été largement utilisées dans les domaines de la stérilisation et de la désinfection en raison de leur grande énergie photonique. En tant que fabricant leader de plaquettes, PAM-XIAMEN fournit des plaquettes épitaxiales AlGaN / GaN pour la fabrication de LED, veuillez vous référer àhttps://www.powerwaywafer.com/gan-wafer/epitaxial-wafer.htmlpour des ouvrages spécifiques.
Fig.1 Structure épitaxiale typique du dispositif LED DUV
Les LED UV peuvent être subdivisées en : LED UVA (320 nm<λ<400 nm), LED UVB (280 nm<λ<320 nm), LED UVC (200 nm<λ<280 nm) et VUV (10 nm) <λ <200 nm), où la longueur d'onde d'émission de DUV LED est inférieure à 360 nm. Le matériau AlGaN a les caractéristiques d'une bande interdite directe et d'une bande interdite réglable (3,4 eV ~ 6,2 eV), couvrant la majeure partie de la bande d'émission ultraviolette (200 nm ~ 365 nm), il devient donc un matériau idéal pour la préparation de LED DUV. Nous pouvons fournir des tranches d'épi LED UV avec une longueur d'onde de 275 nm ~ 405 nm, spécifications s'il vous plaît voirhttps://www.powerwaywafer.com/uv-led-wafer-2.html. Ces dernières années, grâce à la technologie de préparation plus parfaite des matériaux AlGaN, les LED DUV ont également fait de grands progrès et développements.
Cependant, les LED DUV basées sur des matériaux AlGaN rencontrent encore de nombreux problèmes. Parmi eux, la faible efficacité d'injection de porteurs limite les performances du dispositif des LED DUV, en particulier l'efficacité d'injection de trous. D'une part, avec l'augmentation de la composition en Al, l'énergie d'ionisation de l'impureté Mg augmente progressivement, ce qui entraîne un taux d'ionisation extrêmement faible du Mg ; la mobilité de la région source, notamment des trous, est relativement faible.
De plus, une faible concentration de trous et une faible mobilité des trous entraîneront un encombrement du courant principalement sous l'électrode, provoquant l'effet d'encombrement du courant. En conséquence, la concentration locale de porteurs est augmentée, la probabilité de recombinaison Auger dans la région active est augmentée, la température de jonction du dispositif est augmentée et la durée de vie de la LED DUV est affectée.
Alors, comment résoudre ce problème ? Nous partageons plusieurs solutions avec vous.
Compte tenu de la faible efficacité d'injection des trous dans les dispositifs LED DUV, les chercheurs ont optimisé la structure des dispositifs LED DUV et ont proposé le concept de jonction à effet tunnel régulée diélectriquement, mémoire de champ électrique, p-AlyGéorgie1 anN/p-AlxGéorgie1 foisN/p-AlyGéorgie1 anN (x<y) EBL et autres mesures pour améliorer l'efficacité de l'injection dans les trous. Plus précisément comme suit :
1. Jonction tunnel à régulation diélectrique
L'électrode de type p de la LED traditionnelle est directement pulvérisée et évaporée sur la couche semi-conductrice de type p, et la faible efficacité de dopage Mg conduit à une région d'épuisement des trous évidente dans la couche semi-conductrice de type p, ce qui augmente la tension de fonctionnement de l'appareil et réduit la concentration de trous dans la couche d'alimentation.
Pour cela, les chercheurs proposent d'utiliser des jonctions tunnel homogènes traditionnelles (p+-GaN/n+-GaN) et des jonctions tunnel polarisées (p+-GaN/InGaN/n+-GaN), dans lesquelles la couche n+-GaN est utilisée comme métal couche de contact, améliorant l'injection de trous et les propriétés électriques des dispositifs à LED. Pour les LED UV, la couche d'intercalation InGaN a une absorption lumineuse importante pour les photons dans la bande ultraviolette.
Dans le même temps, étant donné que la permittivité relative du matériau AlGaN diminue avec l'augmentation de la composition d'AlN, comme le montre la figure 2 (a), certaines équipes de recherche ont utilisé le matériau AlGaN comme couche d'insertion et ont proposé le concept de jonction tunnel régulée diélectriquement. . Le champ électrique de jonction amélioré augmente la probabilité d'effet tunnel d'électrons, augmentant ainsi la concentration de trous hors d'équilibre dans la couche p+-GaN.
Fig. 2 (a) La relation entre la permittivité relative et la composition AlN de l'AlxGéorgie1 foiscouche N ; (b) le dispositif à jonction à effet tunnel homogène classique (A1) et le dispositif à jonction à effet tunnel accordable diélectrique (A2) répartissent le champ électrique dans la région de jonction à effet tunnel. L'encart montre la relation entre le champ électrique de crête et le niveau de polarisation dans la région de jonction tunnel.
2. Mémoire de champ électrique
La couche d'alimentation en trous du dispositif LED DUV classique comprend deux parties, une couche p-AlGaN et une couche p-GaN. À l'interface entre les deux, il y a une hauteur de barrière (c'est-à-dire Φh) qui empêche l'injection de trous de la couche p-GaN vers la couche p-AlGaN, de sorte qu'une région d'appauvrissement des trous est générée près de la couche p-AlGaN près du la couche de p-GaN, telle que la figure 3 (a), et la largeur de la région d'appauvrissement augmente avec Φh, provoquant l'appauvrissement sévère des trous dans la couche de p-AlGaN.
En réponse à ce problème, les chercheurs ont découvert que la direction du champ électrique d'appauvrissement est cohérente avec la direction du transport des trous, ce qui peut accélérer les trous dans une certaine mesure et augmenter la capacité des trous à être injectés dans la région active, comme le montre Figure 3(b). Φh garantit que le champ électrique d'appauvrissement dans la couche de p-AlGaN n'est pas protégé par des porteurs libres. L'équipe de recherche a donc proposé le concept d'une mémoire de champ électrique, dans laquelle les trous peuvent continuellement récolter l'énergie de ce champ électrique qui s'épuise.
Fig. 3 (a) Le diagramme de bande d'énergie correspondant de la couche d'alimentation des trous p-AlxGéorgie1 foisHétérojonction N/p-GaN du dispositif LED DUV, dans laquelle le p-AlxGéorgie1 foisLa couche N a une région d'appauvrissement interfacial ; (b) Diagramme schématique de la direction du champ électrique dans la région d'appauvrissement à l'interface du p-AlxGéorgie1 foiscouche N.
3. p-AlyGéorgie1 anN/p-AlxGéorgie1 foisN/p-AlyGéorgie1 anN (x<y) EBL
p-EBL empêche la fuite d'électrons et empêche également l'injection de trous dans la région active. La figure 4 (a) montre qu'un grand nombre de trous s'accumuleront à l'interface p-EBL/p-AlGaN, et seuls quelques trous à haute énergie sont injectés dans la région active par le mécanisme de rayonnement thermique (c'est-à-dire P1).
Il est suggéré d'insérer une fine couche de matériau à faible bande passante près de la couche de p-AlGaN dans l'EBL. L'accumulation de trous à l'interface p-EBL / p-AlGaN est réduite par le mécanisme d'effet tunnel dans la bande (c'est-à-dire P0), puis les trous sont injectés dans la région active via le mécanisme de rayonnement thermique (P2), comme indiqué dans Figures 4(b), 4(c).
Fig. 4 (a) diagramme de bande d'énergie d'un dispositif LED DUV conventionnel; (b) diagramme de bande d'énergie du dispositif LED DUV avec p-AlxGéorgie1 foisN/AlyGéorgie1 anN/AlxGéorgie1 foisN(x>y) EBL ; (c) cartes de distribution des trous des couches p-EBL et p-AlGaN.
4. Augmenter l'effet de polarisation sur l'injection de trous
Les nitrures III-V ont une propriété physique importante, l'effet de polarisation. Pour la LED DUV à orientation cristalline traditionnelle [0001], l'effet de polarisation conduit non seulement à l'effet Stark de confinement quantique, mais affecte également sérieusement l'efficacité de l'injection de porteurs, entraînant une dégradation des performances du dispositif. Cependant, lorsque le niveau de polarisation de la structure du dispositif LED DUV a été modifié dans son ensemble, les performances du dispositif avec l'orientation cristallographique [0001] (niveau de polarisation supérieur à 0) étaient nettement meilleures que celles du dispositif cristallographique [000-1]. orientation, et la puissance de sortie optique a augmenté avec le niveau de polarisation augmenté et encore amélioré. Les figures 5 (a) et 5 (b) montrent que sous différents niveaux de polarisation, la distribution des trous dans la région active, p-EBL et la couche d'alimentation en trous est assez différente.
Ce phénomène est étudié, et on constate que l'augmentation du niveau de polarisation à l'interface p-EBL/p-AlGaN/p-GaN augmente l'énergie des trous d'une part, et affaiblit la hauteur de barrière de p-EBL aux trous sur d'autre part, améliorant ainsi l'efficacité de l'injection de trous et améliorant les performances du dispositif de la LED DUV.
la figure 5, lorsque le courant d'injection est de 35 mA, (a) la relation entre la puissance de sortie optique et le niveau de polarisation du dispositif LED DUV ; (b) distribution des trous dans les puits quantiques, les couches de p-AlGaN et les couches de p-GaN à différents niveaux de polarisation
5. L'augmentation de la composition d'AlN de la barrière quantique améliore l'injection de trous
Il a également été constaté que la dernière barrière quantique et la charge polarisée à l'interface p-EBL ont des effets importants sur l'efficacité d'injection des trous. Lorsque la composition de la barrière quantique est augmentée de manière appropriée (E3> E2> E1), la concentration d'électrons dans le puits quantique augmente de manière significative, principalement parce que la capacité de la barrière quantique à lier les électrons est améliorée. De même, l'effet de blocage de la barrière quantique sur les trous sera également significativement renforcé, ce qui est théoriquement défavorable à l'injection de trous. Mais le résultat de la recherche montre que les trous augmentent avec l'augmentation de la composition de la barrière quantique. En effet, avec l'augmentation de la composition d'AlN dans la barrière quantique, le décalage de polarisation entre la dernière barrière quantique et p-EBL diminue, ce qui affaiblit la capacité de blocage de p-EBL aux trous, améliorant ainsi la région active, voir figure 6( c).
Fig. 6 (c) Schéma de principe de la bande d'énergie du dispositif LED UVA
En plus de rechercher des percées dans la technologie de croissance épitaxiale, la compréhension du mécanisme physique interne des LED DUV aidera les chercheurs dans le domaine à mieux comprendre les LED DUV et à améliorer les performances des dispositifs LED DUV.
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