Полупроводниковые материалы с широкой запрещенной зоной, представленные GaN и SiC, обладают преимуществами быстрого дрейфа насыщения электронов и сильной радиационной стойкостью, а также имеют широкий спектр применений в твердотельном освещении, электронном питании и мобильной связи. Среди них твердотельное освещение имеет большое значение для улучшения сегодняшнего глобального потепления и ухудшения экологической среды. Помимо энергосбережения и защиты окружающей среды, УФ-светодиоды, представленные светодиодами глубокого ультрафиолетового излучения (DUV-светодиоды), нашли широкое применение в области стерилизации и дезинфекции благодаря большой энергии фотонов. Являясь ведущим производителем пластин, PAM-XIAMEN поставляет эпитаксиальные пластины AlGaN/GaN для изготовления светодиодов.https://www.powerwaywafer.com/gan-wafer/epitaxial-wafer.htmlдля конкретных структур.

Рис.1 Типичная эпитаксиальная структура светодиодного устройства DUV

УФ-светодиоды можно разделить на: УФА-светодиоды (320 нм<λ<400 нм), УФВ-светодиоды (280 нм<λ<320 нм), УФС-светодиоды (200 нм<λ<280 нм) и ВУФ (10 нм) <λ <200 нм), где длина волны излучения DUV LED короче 360 нм. Материал AlGaN имеет характеристики прямой запрещенной зоны и регулируемой ширины запрещенной зоны (3,4 эВ ~ 6,2 эВ), покрывая большую часть полосы ультрафиолетового излучения (200 ~ 365 нм), поэтому он становится идеальным материалом для изготовления светодиодов DUV. Мы можем поставлять УФ-светодиодные пластины с длиной волны 275–405 нм, спецификации см.https://www.powerwaywafer.com/uv-led-wafer-2.html. В последние годы, благодаря более совершенной технологии подготовки материалов AlGaN, светодиоды DUV также добились большого прогресса и развития.

Однако светодиоды DUV на основе материалов AlGaN по-прежнему сталкиваются со многими проблемами. Среди них низкая эффективность инжекции носителей ограничивает характеристики устройства светодиодов DUV, особенно эффективность инжекции дырок. С одной стороны, с увеличением состава Al энергия ионизации примеси Mg постепенно увеличивается, что приводит к чрезвычайно низкой скорости ионизации Mg; подвижность области источника, особенно дырок, относительно невелика.

Кроме того, низкая концентрация дырок и низкая подвижность дырок будут вызывать скопление тока в основном под электродом, вызывая эффект скопления тока. В результате увеличивается локальная концентрация носителей, увеличивается вероятность оже-рекомбинации в активной области, повышается температура перехода прибора и снижается срок службы ДУФ-светодиода.

Итак, как решить эту проблему? Мы поделимся с вами несколькими решениями.

Ввиду низкой эффективности инжекции дырок в устройствах DUV LED исследователи оптимизировали структуру устройств DUV LED и предложили концепцию диэлектрически регулируемого туннельного перехода, памяти электрического поля, p-Al_yДжорджия_1-йN/п-Al_xДжорджия_1-хN/п-Al_yДжорджия_1-йN (x<y) EBL и другие меры по повышению эффективности закачки в скважину. В частности, следующим образом:

1. Туннельный переход с диэлектрической регулировкой

Электрод p-типа традиционного светодиода напыляется и испаряется непосредственно на слой полупроводника p-типа, а низкая эффективность легирования Mg приводит к очевидной области истощения дырок в слое полупроводника p-типа, что увеличивает рабочее напряжение устройства. и снижает концентрацию дырок в питающем слое.

Для этого исследователи предлагают использовать традиционные гомогенные туннельные контакты (p+-GaN/n+-GaN) и поляризованные туннельные контакты (p+-GaN/InGaN/n+-GaN), в которых в качестве металлического слоя используется слой n+-GaN. контактный слой, улучшающий инжекцию отверстий и электрические свойства светодиодных устройств. Для УФ-светодиодов интеркаляционный слой InGaN значительно поглощает фотоны в ультрафиолетовом диапазоне.

В то же время, учитывая, что относительная диэлектрическая проницаемость материала AlGaN уменьшается с увеличением состава AlN, как показано на рис. 2(a), некоторые исследователи использовали материал AlGaN в качестве слоя вставки и предложили концепцию диэлектрически регулируемого туннельного перехода. . Усиленное электрическое поле перехода увеличивает вероятность туннелирования электронов, тем самым увеличивая концентрацию неравновесных дырок в слое p+-GaN.

Рис. 2 (а) Связь между относительной диэлектрической проницаемостью и составом AlN в Al_xДжорджия_1-хН слой; б) устройство с обычным гомогенным туннельным переходом (А1) и устройство с диэлектрическим перестраиваемым туннельным переходом (А2) распределение электрического поля в области туннельного перехода. На вставке показана зависимость пикового электрического поля от уровня поляризации в области туннельного перехода.

2. Память электрического поля

Слой снабжения дырками обычного светодиодного устройства DUV состоит из двух частей: слоя p-AlGaN и слоя p-GaN. На границе раздела между ними существует высота барьера (т. е. Φh), которая предотвращает инжекцию дырок из слоя p-GaN в слой p-AlGaN, поэтому вблизи слоя p-AlGaN вблизи слоя p-AlGaN образуется область обеднения дырками. слоя p-GaN, такого как рис. 3(a), и ширина области обеднения увеличивается с увеличением Φh, что приводит к сильному обеднению дырок в слое p-AlGaN.

В ответ на эту проблему исследователи обнаружили, что направление истощающего электрического поля согласуется с направлением переноса дырок, что может в определенной степени ускорять дырки и увеличивать способность дырок инжектироваться в активную область, как показано на рис. Рисунок 3(б). Φh гарантирует, что электрическое поле истощения в слое p-AlGaN не экранируется свободными носителями. Поэтому исследовательская группа придумала концепцию памяти электрического поля, в которой дырки могут непрерывно собирать энергию из этого истощающего электрического поля.

Рис. 3 (а) Соответствующая зонная диаграмма слоя питания дырок p-Al_xДжорджия_1-хN/p-GaN-гетеропереход светодиодного устройства DUV, в котором p-Al_xДжорджия_1-хСлой N имеет межфазную обедненную область; (б) Схематическая диаграмма направления электрического поля в обедненной области на границе p-Al_xДжорджия_1-хN слой.

3. р-Ал_yДжорджия_1-йN/п-Al_xДжорджия_1-хN/п-Al_yДжорджия_1-йN (x<y) ЭВН

p-EBL предотвращает утечку электронов, а также препятствует инжекции дырок в активную область. На рис. 4(а) показано, что на границе p-EBL/p-AlGaN будет накапливаться большое количество дырок, и только несколько дырок с высокой энергией инжектируются в активную область по механизму теплового излучения (т.е. P1).

Предлагается вставка тонкого слоя материала с низкой пропускной способностью вблизи слоя p-AlGaN в ЭПС. Накопление дырок на границе раздела p-EBL/p-AlGaN уменьшается за счет внутризонного туннельного механизма (т.е. P0), а затем дырки инжектируются в активную область через механизм теплового излучения (P2), как показано на рис. Рисунки 4(б), 4(в).

Рис. 4 (а) Диаграмма энергетического диапазона обычного светодиодного устройства DUV; (б) Диаграмма энергетического диапазона светодиодного устройства DUV с p-Al_xДжорджия_1-хН/Аль_yДжорджия_1-йН/Аль_xДжорджия_1-хN (x>y) ЭПС; (в) карты распределения дырок в слоях p-EBL и p-AlGaN.

4. Увеличьте эффект поляризации при впрыскивании в отверстие

Нитриды III-V обладают важным физическим свойством — поляризационным эффектом. Для традиционного DUV-светодиода с ориентацией кристалла [0001] эффект поляризации не только приводит к эффекту Штарка с квантовым ограничением, но также серьезно влияет на эффективность инжекции носителей, что приводит к ухудшению характеристик устройства. Однако, когда уровень поляризации структуры устройства DUV LED был изменен в целом, производительность устройства с кристаллографической ориентацией [0001] (уровень поляризации больше 0) была значительно лучше, чем у устройства с кристаллографической ориентацией [000-1]. ориентация, а оптическая выходная мощность увеличивалась с увеличением и дальнейшим улучшением уровня поляризации. Рисунки 5(а) и 5(б) показывают, что при разных уровнях поляризации распределение дырок в активной области, p-EBL и слое питания дырок совершенно различно.

Это явление изучено и установлено, что увеличение уровня поляризации на границе p-EBL/p-AlGaN/p-GaN увеличивает энергию дырок, с одной стороны, и ослабляет высоту барьера p-EBL для дырок, с другой. с другой стороны, тем самым повышая эффективность инжекции отверстий и повышая производительность устройства светодиода DUV.

Рис. 5, когда ток инжекции составляет 35 мА, (а) зависимость между выходной оптической мощностью и уровнем поляризации светодиодного устройства DUV; (б) распределение дырок в квантовых ямах, слоях p-AlGaN и слоях p-GaN при разных уровнях поляризации

5. Увеличение состава AlN в квантовом барьере улучшает инжекцию в дырку

Также обнаружено, что последний квантовый барьер и поляризованный заряд на границе p-EBL оказывают важное влияние на эффективность инжекции дырок. Когда состав квантового барьера соответствующим образом увеличен (E3>E2>E1), концентрация электронов в квантовой яме значительно увеличивается, что в основном связано с усилением способности квантового барьера связывать электроны. Точно так же значительно усилится блокирующее действие квантового барьера на дырки, что теоретически неблагоприятно для инжекции дырок. Но результат исследования показывает, что дырки увеличиваются с увеличением состава квантового барьера. Это связано с тем, что с увеличением состава AlN в квантовом барьере поляризационное рассогласование между последним квантовым барьером и p-EBL уменьшается, что ослабляет блокирующую способность p-EBL по отношению к дыркам, тем самым улучшая активную область, см. рис. 6( в).

Рис. 6 (c) Схематическая диаграмма диапазона энергий светодиодного устройства UVA

В дополнение к поиску прорывов в технологии эпитаксиального выращивания, понимание внутреннего физического механизма светодиодов DUV поможет исследователям в этой области лучше понять светодиоды DUV и улучшить характеристики светодиодных устройств DUV.

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте по адресу victorchan@powerwaywafer.com и powerwaymaterial@gmail.com.