DUV LEDの正孔注入効率を改善する方法は?

DUV LEDの正孔注入効率を改善する方法は?

GaNやSiCに代表されるワイドバンドギャップ半導体材料は、電子飽和ドリフトが速く、耐放射線性が高いという利点があり、固体照明、電子電力、移動体通信などに幅広い用途があります。 なかでも、今日の地球温暖化や生態環境の悪化を改善するためには、ソリッドステート照明が非常に重要です。 省エネと環境保護に加えて、深紫外線発光ダイオード(DUV LED)に代表されるUV LEDは、光子エネルギーが大きいため、滅菌および消毒の分野で広く使用されています。 主要なウェーハメーカーとして、PAM-XIAMENはLED製造用のAlGaN/GaNエピタキシャルウェーハを提供しています。参照してください。https://www.powerwaywafer.com/gan-wafer/epitaxial-wafer.html特定の構造の場合。

DUVLEDの典型的なエピタキシャル構造

図1DUVLEDデバイスの代表的なエピタキシャル構造

UV LEDは、UVA LED(320 nm<λ<400nm)、UVB LED(280 nm<λ<320nm)、UVC LED(200 nm<λ<280nm)、VUV(10 nm)<λに分類できます。 <200 nm)、DUVLEDの発光波長は360nmより短い。 AlGaN材料は、直接バンドギャップと調整可能なバンドギャップ(3.4 eV〜6.2 eV)の特性を持ち、ほとんどの紫外線放射帯域(200 nm〜365 nm)をカバーするため、DUVLEDの作成に理想的な材料になります。 波長275nm〜405nmのUVLEDエピウェーハを供給できます。仕様はこちらをご覧ください。https://www.powerwaywafer.com/uv-led-wafer-2.html。 近年、AlGaN材料のより完璧な準備技術のおかげで、DUVLEDも大きな進歩と発展を遂げました。

しかし、AlGaN材料をベースにしたDUVLEDは依然として多くの問題に直面しています。 その中でも、キャリア注入効率が低いと、DUV LEDのデバイス性能、特に正孔注入効率が制限されます。 一方では、Al組成の増加に伴い、Mg不純物のイオン化エネルギーが徐々に増加し、Mgのイオン化率が極端に低くなります。 ソース領域、特に穴の移動度は比較的低いです。

さらに、正孔濃度が低く、正孔移動度が低いと、主に電極の下に電流が密集し、電流密集効果が発生します。 その結果、キャリアの局所濃度が増加し、アクティブ領域でのオージェ再結合確率が増加し、デバイスの接合部温度が上昇し、DUVLEDの耐用年数が影響を受けます。

では、この問題を解決するにはどうすればよいでしょうか。 私たちはあなたといくつかの解決策を共有します。

DUV LEDデバイスの正孔注入効率が低いことを考慮して、研究者はDUV LEDデバイスの構造を最適化し、誘電的に調整されたトンネリング接合、電界メモリ、p-Alの概念を提案しました。yジョージア1-yN / p-Alxジョージア1-xN / p-Alyジョージア1-yN(x <y)EBLおよび正孔注入効率を改善するための他の手段。 具体的には次のとおりです。

1.誘電的に調整されたトンネリングジャンクション

従来のLEDのp型電極は、p型半導体層上で直接スパッタおよび蒸着され、Mgドーピング効率が低いと、p型半導体層に明らかな正孔空乏領域が生じ、デバイスの動作電圧が上昇します。供給層の正孔濃度を低減します。

この目的のために、研究者らは、n + -GaN層が金属として使用される従来の均質トンネル接合(p + -GaN / n + -GaN)および分極トンネル接合(p + -GaN / InGaN / n + -GaN)を使用することを提案しています。接触層、LEDデバイスの正孔注入と電気的特性を改善します。 UV LEDの場合、InGaNインターカレーション層は、紫外線帯域の光子に対して深刻な光吸収を示します。

同時に、図2(a)に示すように、AlN組成の増加に伴いAlGaN材料の比誘電率が低下することを考慮し、ある研究チームは挿入層としてAlGaN材料を使用し、誘電的に調整されたトンネル接合の概念を提案しました。 。 増強された接合電場は、電子トンネリング確率を増加させ、それにより、p+-GaN層における非平衡正孔濃度を増加させる。

図2AlxGa1-xN層の比誘電率とAlN組成の関係

図2(a)Alの比誘電率とAlN組成の関係xジョージア1-xN層; (b)従来の均質なトンネル接合(A1)を備えたデバイス、およびトンネル接合領域における誘電体調整可能なトンネル接合(A2)電界分布を備えたデバイス。 挿入図は、トンネル接合領域のピーク電界と分極レベルの関係を示しています。

2.電界メモリ

従来のDUVLEDデバイスの正孔供給層は、p-AlGaN層とp-GaN層の2つの部分で構成されています。 2つの界面には、p-GaN層からp-AlGaN層に正孔が注入されるのを防ぐバリア高さ(つまりΦh)があるため、p-AlGaN層の近くに正孔空乏領域が生成されます。図3(a)のようなp-GaN層では、空乏領域の幅がΦhとともに増加し、p-AlGaN層の正孔が大幅に空乏化します。

この問題に対応して、研究者は、枯渇電場の方向が正孔輸送の方向と一致していることを発見しました。図3(b)。 Φhは、p-AlGaN層の空乏電界が自由キャリアによってシールドされないことを保証します。 そこで、研究チームは、電界メモリの概念を考案しました。このメモリでは、穴がこの枯渇した電界からエネルギーを継続的に収集できます。

図3正孔供給層に対応するエネルギーバンド図p-AlxGa1-xNp-GaNヘテロ接合

図3(a)正孔供給層p-Alの対応するエネルギーバンド図xジョージア1-xDUVLEDデバイスのN/p-GaNヘテロ接合。p-Alxジョージア1-xN層には界面空乏領域があります。 (b)p-Alの界面における空乏領域の電界方向の概略図xジョージア1-xN層。

3. p-Alyジョージア1-yN / p-Alxジョージア1-xN / p-Alyジョージア1-yN(x <y)EBL

p-EBLは、電子の漏れを防ぎ、活性領域への正孔の注入を防ぎます。 図4(a)は、p-EBL / p-AlGaN界面に多数の正孔が蓄積し、熱放射メカニズム(P1)を介して高エネルギーの少数の正孔のみがアクティブ領域に注入されることを示しています。

EBLのp-AlGaN層の近くに低帯域幅の材料の薄層を挿入することをお勧めします。 p-EBL / p-AlGaN界面での正孔の蓄積は、帯域内トンネリングメカニズム(つまりP0)によって減少し、次に、図に示すように、熱放射メカニズム(P2)を介して正孔がアクティブ領域に注入されます。図4(b)、4(c)。

図4p-AlxGa1-xNAlyGa1-yNAlxGa1-xNEBLを備えたDUVLEDデバイスの概略図

図4(a)従来のDUVLEDデバイスのエネルギーバンド図。 (b)p-Alを備えたDUVLEDデバイスのエネルギーバンド図xジョージア1-x該当なしyジョージア1-y該当なしxジョージア1-xN(x> y)EBL; (c)p-EBLおよびp-AlGaN層の正孔分布マップ。

4.正孔注入に対する分極効果を高める

III-V窒化物には、重要な物理的特性である分極効果があります。 従来の[0001]結晶配向DUVLEDの場合、偏光効果は量子閉じ込めシュタルク効果をもたらすだけでなく、キャリア注入効率に深刻な影響を及ぼし、デバイスの性能を低下させます。 ただし、DUV LEDデバイス構造全体の偏光レベルを変更した場合、[0001]結晶方位(偏光レベルが0より大きい)のデバイスの性能は、[000-1]結晶学的配向の性能よりも大幅に優れていました。配向、および光出力パワーは、偏光レベルが増加し、さらに改善されるにつれて増加した。 図5(a)と5(b)は、異なる分極レベルでは、アクティブ領域、p-EBL、および正孔供給層の正孔の分布がまったく異なることを示しています。

この現象を調べたところ、p-EBL / p-AlGaN / p-GaN界面の分極レベルを上げると、一方では正孔のエネルギーが増加し、p-EBLの正孔に対するバリア高さが弱くなることがわかりました。他方、それにより、正孔注入効率を改善し、DUV LEDのデバイス性能を改善する。

図5正孔注入に対する分極効果の影響

図5注入電流が35mAの場合、(a)光出力パワーとDUVLEDデバイスの偏光レベルの関係。 (b)異なる分極レベルでの量子井戸、p-AlGaN層およびp-GaN層の正孔の分布

5.量子バリアのAlN組成を増やすと、正孔注入が改善されます

また、p-EBL界面での最後の量子障壁と分極電荷が正孔注入効率に重要な影響を与えることもわかりました。 量子障壁の組成が適切に増加すると(E3> E2> E1)、量子井戸内の電子濃度が大幅に増加します。これは主に、量子障壁の電子結合能力が強化されるためです。 同様に、正孔に対する量子バリアのブロッキング効果も大幅に強化されますが、これは理論的には正孔の注入には不利です。 しかし、研究結果は、量子障壁組成の増加とともに正孔が増加することを示しています。 これは、量子バリア内のAlN組成が増加すると、最後の量子バリアとp-EBLの間の分極の不一致が減少し、p-EBLの正孔に対するブロッキング能力が弱まり、それによって活性領域が改善されるためです。図6(図6()を参照) c)。

図6UVALEDデバイスのエネルギーバンドの概略図

図6(c)UVALEDデバイスのエネルギーバンドの概略図

エピタキシャル成長技術の飛躍的進歩を追求することに加えて、DUV LEDの内部物理メカニズムを理解することは、この分野の研究者がDUV LEDをよりよく理解し、DUVLEDデバイスの性能を向上させるのに役立ちます。

詳細については、メールでお問い合わせください。 victorchan@powerwaywafer.compowerwaymaterial@gmail.com.

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