I materiali semiconduttori ad ampio gap di banda rappresentati da GaN e SiC presentano i vantaggi di una rapida deriva di saturazione degli elettroni e di una forte resistenza alle radiazioni e hanno un'ampia gamma di applicazioni nell'illuminazione a stato solido, nell'energia elettronica e nelle comunicazioni mobili. Tra questi, l'illuminazione a stato solido è di grande importanza per migliorare il riscaldamento globale odierno e il deterioramento dell'ambiente ecologico. Oltre al risparmio energetico e alla protezione ambientale, i LED UV rappresentati da diodi a emissione di luce ultravioletta profonda (LED DUV) sono stati ampiamente utilizzati nei campi di sterilizzazione e disinfezione grazie alla loro grande energia fotonica. In qualità di produttore leader di wafer, PAM-XIAMEN fornisce wafer epitassiali AlGaN / GaN per la fabbricazione di LED, fare riferimento ahttps://www.powerwaywafer.com/gan-wafer/epitaxial-wafer.htmlper strutture specifiche.

Fig.1 Tipica struttura epitassiale del dispositivo DUV LED

I LED UV possono essere suddivisi in: LED UVA (320 nm<λ<400 nm), LED UVB (280 nm<λ<320 nm), LED UVC (200 nm<λ<280 nm) e VUV (10 nm) <λ <200 nm), dove la lunghezza d'onda di emissione del LED DUV è inferiore a 360 nm. Il materiale AlGaN ha le caratteristiche di band gap diretto e band gap regolabile (3,4 eV~6,2 eV), coprendo la maggior parte della banda di emissione ultravioletta (200 nm ~ 365 nm), quindi diventa un materiale ideale per la preparazione di LED DUV. Siamo in grado di fornire wafer epi LED UV con lunghezza d'onda di 275 nm ~ 405 nm, vedere le specifichehttps://www.powerwaywafer.com/uv-led-wafer-2.html. Negli ultimi anni, grazie alla tecnologia di preparazione più perfetta dei materiali AlGaN, anche i LED DUV hanno fatto grandi progressi e sviluppi.

Tuttavia, i LED DUV basati su materiali AlGaN devono ancora affrontare molti problemi. Tra questi, la bassa efficienza di iniezione del vettore limita le prestazioni del dispositivo dei LED DUV, in particolare l'efficienza di iniezione del foro. Da un lato, con l'aumento della composizione di Al, l'energia di ionizzazione dell'impurità di Mg aumenta gradualmente, determinando un tasso di ionizzazione estremamente basso del Mg; la mobilità della regione sorgente, in particolare dei fori, è relativamente bassa.

Inoltre, una bassa concentrazione di fori e una bassa mobilità dei fori faranno sì che la corrente si accumuli principalmente sotto l'elettrodo, causando l'effetto di affollamento della corrente. Di conseguenza, aumenta la concentrazione locale di vettori, aumenta la probabilità di ricombinazione della coclea nella regione attiva, aumenta la temperatura di giunzione del dispositivo e viene influenzata la durata del LED DUV.

Quindi, come risolvere questo problema? Condividiamo diverse soluzioni con te.

In considerazione dell'efficienza di iniezione a basso foro nei dispositivi LED DUV, i ricercatori hanno ottimizzato la struttura dei dispositivi LED DUV e hanno proposto il concetto di giunzione tunneling regolata dielettricamente, memoria del campo elettrico, p-Al_yGa_1-yN/p-Al_xGa_1-xN/p-Al_yGa_1-yN (x<y) EBL e altre misure per migliorare l'efficienza di iniezione del foro. Nello specifico come segue:

1. Giunzione di tunneling regolata dielettricamente

L'elettrodo di tipo p del LED tradizionale viene spruzzato ed evaporato direttamente sullo strato semiconduttore di tipo p e la bassa efficienza di drogaggio Mg porta a un'evidente regione di esaurimento del foro nello strato semiconduttore di tipo p, che aumenta la tensione operativa del dispositivo e riduce la concentrazione di fori nello strato di alimentazione.

A tal fine, i ricercatori propongono di utilizzare le tradizionali giunzioni tunneling omogenee (p+-GaN/n+-GaN) e le giunzioni tunneling polarizzate (p+-GaN/InGaN/n+-GaN), in cui lo strato n+-GaN viene utilizzato come metallo strato di contatto, migliorando l'iniezione del foro e le proprietà elettriche dei dispositivi LED. Per i LED UV, lo strato di intercalazione InGaN ha un forte assorbimento della luce per i fotoni nella banda ultravioletta.

Allo stesso tempo, considerando che la permettività relativa del materiale AlGaN diminuisce con l'aumento della composizione di AlN, come mostrato nella Figura 2 (a), alcuni team di ricerca hanno utilizzato materiale AlGaN come strato di inserimento e hanno proposto il concetto di giunzione a tunnel regolata dielettricamente . Il campo elettrico di giunzione potenziato aumenta la probabilità di tunneling degli elettroni, aumentando così la concentrazione di lacune di non equilibrio nello strato p+-GaN.

Fig. 2 (a) La relazione tra la permittività relativa e la composizione di AlN dell'Al_xGa_1-xstrato N; (b) il dispositivo con giunzione tunneling omogenea convenzionale (A1) e il dispositivo con giunzione tunneling sintonizzabile dielettrica (A2) distribuzione del campo elettrico nella regione di giunzione tunnel. L'inserto mostra la relazione tra il campo elettrico di picco e il livello di polarizzazione nella regione di giunzione del tunnel.

2. Memoria del campo elettrico

Lo strato di alimentazione del foro del dispositivo LED DUV convenzionale comprende due parti, uno strato p-AlGaN e uno strato p-GaN. All'interfaccia tra i due, c'è un'altezza di barriera (cioè Φh) che impedisce l'iniezione di fori dallo strato di p-GaN allo strato di p-AlGaN, quindi viene generata una regione di svuotamento del foro vicino allo strato di p-AlGaN vicino al strato di p-GaN, come la Figura 3 (a), e la larghezza della regione di svuotamento aumenta con Φh, causando un grave esaurimento dei fori nello strato di p-AlGaN.

In risposta a questo problema, i ricercatori hanno scoperto che la direzione del campo elettrico di esaurimento è coerente con la direzione del trasporto dei fori, che può accelerare i fori in una certa misura e aumentare la capacità dei fori di essere iniettati nella regione attiva, come mostrato in Figura 3 (b). Φh assicura che il campo elettrico di impoverimento nello strato p-AlGaN non sia schermato da portatori liberi. Quindi il team di ricerca ha escogitato il concetto di memoria del campo elettrico, in cui i buchi possono continuamente raccogliere energia da questo campo elettrico in esaurimento.

Fig. 3 (a) Il corrispondente diagramma delle bande di energia dello strato di alimentazione del foro p-Al_xGa_1-xEterogiunzione N/p-GaN del dispositivo LED DUV, in cui il p-Al_xGa_1-xLo strato N ha una regione di svuotamento interfacciale; (b) Diagramma schematico della direzione del campo elettrico nella regione di svuotamento all'interfaccia del p-Al_xGa_1-xstrato N.

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

p-EBL previene la dispersione di elettroni e ostacola anche l'iniezione di lacune nella regione attiva. La Figura 4(a) mostra che un gran numero di fori si accumulerà all'interfaccia p-EBL/p-AlGaN e solo pochi fori ad alta energia vengono iniettati nella regione attiva attraverso il meccanismo di radiazione termica (cioè P1).

Si suggerisce di inserire uno strato sottile di materiale a bassa larghezza di banda vicino allo strato di p-AlGaN nell'EBL. L'accumulo di fori all'interfaccia p-EBL/p-AlGaN viene ridotto dal meccanismo di tunneling in banda (cioè P0), quindi i fori vengono iniettati nella regione attiva attraverso il meccanismo di radiazione termica (P2), come mostrato in Figure 4(b), 4(c).

Fig. 4 (a) diagramma delle bande di energia del dispositivo LED DUV convenzionale; (b) diagramma delle bande di energia del dispositivo DUV LED con p-Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN/Al_xGa_1-xN (x>y) EBL; (c) mappe di distribuzione dei fori degli strati p-EBL e p-AlGaN.

4. Aumenta l'effetto di polarizzazione sull'iniezione del foro

I nitruri III-V hanno un'importante proprietà fisica, l'effetto di polarizzazione. Per il tradizionale LED DUV con orientamento del cristallo [0001], l'effetto di polarizzazione non solo porta all'effetto Stark di confinamento quantistico, ma influisce anche seriamente sull'efficienza di iniezione del vettore, con conseguente degrado delle prestazioni del dispositivo. Tuttavia, quando il livello di polarizzazione della struttura del dispositivo LED DUV è stato modificato nel suo insieme, le prestazioni del dispositivo con l'orientamento cristallografico [0001] (livello di polarizzazione maggiore di 0) erano significativamente migliori di quelle del dispositivo cristallografico [000-1] orientamento e la potenza di uscita ottica aumentava con il livello di polarizzazione aumentato e ulteriormente migliorato. Le figure 5(a) e 5(b) mostrano che a diversi livelli di polarizzazione, la distribuzione dei fori nella regione attiva, p-EBL e lo strato di alimentazione dei fori è piuttosto diversa.

Questo fenomeno viene studiato e si scopre che aumentando il livello di polarizzazione all'interfaccia p-EBL/p-AlGaN/p-GaN aumenta l'energia dei fori da un lato e indebolisce l'altezza della barriera di p-EBL ai fori su d'altra parte, migliorando così l'efficienza di iniezione del foro e migliorando le prestazioni del dispositivo del LED DUV.

Fig. 5 quando la corrente di iniezione è 35 mA, (a) la relazione tra la potenza ottica di uscita e il livello di polarizzazione del dispositivo DUV LED; (b) distribuzione di buchi in pozzi quantistici, strati p-AlGaN e strati p-GaN a diversi livelli di polarizzazione

5. L'aumento della composizione di AlN della barriera quantistica migliora l'iniezione del foro

Si è anche scoperto che l'ultima barriera quantistica e la carica polarizzata all'interfaccia p-EBL hanno effetti importanti sull'efficienza di iniezione del foro. Quando la composizione della barriera quantistica viene opportunamente aumentata (E3>E2>E1), la concentrazione di elettroni nel pozzo quantistico aumenta in modo significativo, principalmente perché la capacità della barriera quantistica di legare gli elettroni è migliorata. Allo stesso modo, sarà notevolmente potenziato anche l'effetto di blocco della barriera quantistica sui buchi, il che è teoricamente sfavorevole per l'iniezione di buchi. Ma il risultato della ricerca mostra che i buchi aumentano con l'aumento della composizione della barriera quantistica. Questo perché con l'aumento della composizione di AlN nella barriera quantistica, la mancata corrispondenza di polarizzazione tra l'ultima barriera quantistica e p-EBL diminuisce, il che indebolisce la capacità di blocco di p-EBL alle lacune, migliorando così la regione attiva, vedere figura 6( c).

Fig. 6 (c) Diagramma schematico della banda di energia del dispositivo LED UVA

Oltre a cercare innovazioni nella tecnologia di crescita epitassiale, la comprensione del meccanismo fisico interno dei LED DUV aiuterà i ricercatori nel campo a comprendere meglio i LED DUV e migliorare le prestazioni dei dispositivi LED DUV.

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