Os materiais semicondutores de banda larga representados por GaN e SiC têm as vantagens de desvio rápido de saturação de elétrons e forte resistência à radiação, e têm uma ampla gama de aplicações em iluminação de estado sólido, energia eletrônica e comunicações móveis. Entre eles, a iluminação de estado sólido é de grande importância para melhorar o aquecimento global atual e a deterioração do ambiente ecológico. Além da economia de energia e proteção ambiental, os LEDs UV representados por diodos emissores de luz ultravioleta profundo (LEDs DUV) têm sido amplamente utilizados em campos de esterilização e desinfecção devido à sua grande energia de fótons. Como fabricante líder de wafer, a PAM-XIAMEN fornece wafers epitaxiais AlGaN / GaN para fabricação de LED, consultehttps://www.powerwaywafer.com/gan-wafer/epitaxial-wafer.htmlpara estruturas específicas.
Fig.1 Estrutura Epitaxial Típica do Dispositivo LED DUV
Os LEDs UV podem ser subdivididos em: LEDs UVA (320 nm<λ<400 nm), LEDs UVB (280 nm<λ<320 nm), LEDs UVC (200 nm<λ<280 nm) e VUV (10 nm) <λ <200 nm), onde o comprimento de onda de emissão do LED DUV é menor que 360 nm. O material AlGaN possui as características de band gap direto e band gap ajustável (3,4 eV~6,2 eV), cobrindo a maior parte da banda de emissão ultravioleta (200 nm ~ 365 nm), tornando-se um material ideal para a preparação de LEDs DUV. Nós podemos fornecer wafer epi LED UV com comprimento de onda de 275nm ~ 405nm, especificação consultehttps://www.powerwaywafer.com/uv-led-wafer-2.html. Nos últimos anos, graças à tecnologia de preparação mais perfeita dos materiais AlGaN, os LEDs DUV também fizeram grande progresso e desenvolvimento.
No entanto, os LEDs DUV baseados em materiais AlGaN ainda enfrentam muitos problemas. Entre eles, a baixa eficiência de injeção de portadora limita o desempenho do dispositivo de LEDs DUV, especialmente a eficiência de injeção de furo. Por um lado, com o aumento da composição de Al, a energia de ionização da impureza de Mg aumenta gradativamente, resultando em uma taxa de ionização extremamente baixa do Mg; a mobilidade da região fonte, especialmente os buracos, é relativamente baixa.
Além disso, baixa concentração de furos e baixa mobilidade de furos farão com que a corrente se acumule principalmente sob o eletrodo, causando o efeito de aglomeração de corrente. Como resultado, a concentração local de portadores é aumentada, a probabilidade de recombinação Auger na região ativa é aumentada, a temperatura de junção do dispositivo é aumentada e a vida útil do LED DUV é afetada.
Então, como resolver esse problema? Partilhamos consigo várias soluções.
Tendo em vista a baixa eficiência de injeção de furos em dispositivos LED DUV, os pesquisadores otimizaram a estrutura dos dispositivos LED DUV e propuseram o conceito de junção de tunelamento regulada dielétrica, memória de campo elétrico, p-AlyGa1 anoN/p-AlxGa1-xN/p-AlyGa1 anoN (x<y) EBL e outras medidas para melhorar a eficiência da injeção de furos. Especificamente da seguinte forma:
1. Junção de tunelamento regulada dielétricamente
O eletrodo tipo p do LED tradicional é diretamente pulverizado e evaporado na camada semicondutora tipo p, e a baixa eficiência de dopagem de Mg leva a uma região de depleção óbvia de buracos na camada semicondutora tipo p, o que aumenta a tensão de operação do dispositivo e reduz a concentração de buracos na camada de suprimento.
Para isso, os pesquisadores propõem o uso de junções de tunelamento homogêneas tradicionais (p+-GaN/n+-GaN) e junções de tunelamento polarizadas (p+-GaN/InGaN/n+-GaN), nas quais a camada n+-GaN é usada como metal camada de contato, melhorando a injeção de furos e as propriedades elétricas dos dispositivos LED. Para LEDs UV, a camada de intercalação de InGaN tem absorção de luz séria para fótons na faixa ultravioleta.
Ao mesmo tempo, considerando que a permissividade relativa do material AlGaN diminui com o aumento da composição do AlN, conforme mostrado na Figura 2(a), certa equipe de pesquisa utilizou o material AlGaN como camada de inserção e propôs o conceito de junção túnel regulada dielétricamente . O campo elétrico de junção aumentado aumenta a probabilidade de tunelamento de elétrons, aumentando assim a concentração de buracos fora do equilíbrio na camada p+-GaN.
Fig. 2 (a) A relação entre a permissividade relativa e a composição AlN do AlxGa1-xcamada N; (b) o dispositivo com junção de túnel homogênea convencional (A1) e o dispositivo com junção de túnel sintonizável dielétrica (A2) distribuição de campo elétrico na região de junção de túnel. A inserção mostra a relação entre o pico do campo elétrico e o nível de polarização na região da junção do túnel.
2. Memória de Campo Elétrico
A camada de alimentação do orifício do dispositivo LED DUV convencional inclui duas partes, uma camada p-AlGaN e uma camada p-GaN. Na interface entre os dois, há uma altura de barreira (ou seja, Φh) que impede que os buracos sejam injetados da camada de p-GaN para a camada de p-AlGaN, de modo que uma região de depleção de buracos é gerada perto da camada de p-AlGaN perto da camada de p-AlGaN. camada de p-GaN, como na Figura 3(a), e a largura da região de depleção aumenta com Φh, fazendo com que os buracos sejam severamente esgotados na camada de p-AlGaN.
Em resposta a esse problema, os pesquisadores descobriram que a direção do campo elétrico de depleção é consistente com a direção do transporte dos buracos, o que pode acelerar os buracos até certo ponto e aumentar a capacidade dos buracos de serem injetados na região ativa, como mostrado em Figura 3(b). Φh garante que o campo elétrico de depleção na camada p-AlGaN não seja blindado por portadores livres. Assim, a equipe de pesquisa surgiu com o conceito de uma memória de campo elétrico, na qual os buracos podem continuamente coletar energia desse campo elétrico empobrecido.
Fig. 3 (a) O diagrama de banda de energia correspondente da camada de alimentação do furo p-AlxGa1-xHeterojunção N/p-GaN do dispositivo DUV LED, em que o p-AlxGa1-xA camada N tem uma região de depleção interfacial; (b) Diagrama esquemático da direção do campo elétrico na região de depleção na interface do p-AlxGa1-xcamada N.
3. p-AlyGa1 anoN/p-AlxGa1-xN/p-AlyGa1 anoN (x<y) EBL
O p-EBL evita o vazamento de elétrons e também dificulta a injeção de buracos na região ativa. A Figura 4(a) mostra que um grande número de buracos irá se acumular na interface p-EBL/p-AlGaN, e apenas alguns buracos com alta energia são injetados na região ativa através do mecanismo de radiação térmica (ie P1).
A inserção de uma fina camada de material de baixa largura de banda perto da camada de p-AlGaN no EBL é sugerida. O acúmulo de buracos na interface p-EBL/p-AlGaN é reduzido pelo mecanismo de tunelamento in-band (ou seja, P0), e então os buracos são injetados na região ativa através do mecanismo de radiação térmica (P2), conforme mostrado em Figuras 4(b), 4(c).
Fig. 4 (a) diagrama de bandas de energia do dispositivo DUV LED convencional; (b) diagrama de banda de energia do dispositivo LED DUV com p-AlxGa1-xN/AlyGa1 anoN/AlxGa1-xN(x>y) EBL; (c) mapas de distribuição de buracos das camadas p-EBL e p-AlGaN.
4. Aumentar o efeito de polarização na injeção de furo
III-V nitrides have an important physical property, the polarization effect. For the traditional [0001] crystal orientation DUV LED, the polarization effect not only leads to the quantum confinement Stark effect, but also seriously affects the carrier injection efficiency, resulting in the degradation of device performance. However, when the polarization level of the DUV LED device structure was changed as a whole, the performance of the device with the [0001] crystallographic orientation (polarization level greater than 0) was significantly better than that of the [000-1] crystallographic orientation, and the optical output power increased with the polarization level increased and further improved. Figures 5(a) and 5(b) show that under different polarization levels, the distribution of holes in the active region, p-EBL and hole supply layer is quite different.
This phenomenon is studied, and it is found that increasing the polarization level at the p-EBL/p-AlGaN/p-GaN interface increases the energy of holes on the one hand, and weakens the barrier height of p-EBL to holes on the other hand, thereby improving the hole injection efficiency and improving the device performance of the DUV LED.
Fig. 5 quando a corrente de injeção é 35mA, (a) a relação entre a potência de saída óptica e o nível de polarização do dispositivo LED DUV; (b) distribuição de buracos em poços quânticos, camadas p-AlGaN e camadas p-GaN em diferentes níveis de polarização
5. O aumento da composição AlN da barreira quântica melhora a injeção de furos
Descobriu-se também que a última barreira quântica e a carga polarizada na interface p-EBL têm efeitos importantes na eficiência da injeção de buracos. Quando a composição da barreira quântica é aumentada apropriadamente (E3>E2>E1), a concentração de elétrons no poço quântico aumenta significativamente, principalmente porque a capacidade da barreira quântica de ligar elétrons é aumentada. Da mesma forma, o efeito de bloqueio da barreira quântica em buracos também será significativamente aumentado, o que é teoricamente desfavorável para a injeção de buracos. Mas o resultado da pesquisa mostra que os buracos aumentam com o aumento da composição da barreira quântica. Isso ocorre porque com o aumento da composição de AlN na barreira quântica, o descasamento de polarização entre a última barreira quântica e o p-EBL diminui, o que enfraquece a capacidade de bloqueio do p-EBL aos buracos, melhorando assim a região ativa, veja a figura 6( c).
Fig. 6 (c) Diagrama esquemático da faixa de energia do dispositivo LED UVA
Além de buscar avanços na tecnologia de crescimento epitaxial, entender o mecanismo físico interno dos LEDs DUV ajudará os pesquisadores da área a entender melhor os LEDs DUV e melhorar o desempenho dos dispositivos LED DUV.
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