De bredbandiga halvledarmaterialen som representeras av GaN och SiC har fördelarna med snabb elektronmättnadsdrift och starkt strålningsmotstånd, och har ett brett spektrum av tillämpningar inom halvledarbelysning, elektronisk kraft och mobil kommunikation. Bland dem har fast-tillståndsbelysning stor betydelse för att förbättra dagens globala uppvärmning och försämringen av den ekologiska miljön. Förutom energibesparing och miljöskydd har UV-lysdioder representerade av djupa ultravioletta lysdioder (DUV-LED) använts i stor utsträckning inom steriliserings- och desinfektionsfält på grund av deras stora fotonenergi. Som en ledande wafertillverkare tillhandahåller PAM-XIAMEN AlGaN / GaN epitaxiella wafers för LED-tillverkning, sehttps://www.powerwaywafer.com/gan-wafer/epitaxial-wafer.htmlför specifika strukturer.

Fig.1 Typisk epitaxiell struktur för DUV LED-enhet

UV-lysdioder kan delas in i: UVA-lysdioder (320 nm<λ<400 nm), UVB-lysdioder (280 nm<λ<320 nm), UVC-lysdioder (200 nm<λ<280 nm) och VUV (10 nm) <λ <200 nm), där emissionsvåglängden för DUV LED är kortare än 360 nm. AlGaN-materialet har egenskaperna för direkt bandgap och justerbart bandgap (3,4 eV~6,2 eV), som täcker det mesta av det ultravioletta emissionsbandet (200 nm ~ 365 nm), så det blir ett idealiskt material för beredning av DUV-lysdioder. Vi kan leverera UV LED epi wafer med våglängd på 275nm ~ 405nm, specifikation sehttps://www.powerwaywafer.com/uv-led-wafer-2.html. Under de senaste åren, tack vare den mer perfekta beredningstekniken för AlGaN-material, har DUV-lysdioder också gjort stora framsteg och utveckling.

DUV-lysdioder baserade på AlGaN-material har dock fortfarande många problem. Bland dem begränsar den låga insprutningseffektiviteten enhetens prestanda för DUV-lysdioder, särskilt hålinsprutningseffektiviteten. Å ena sidan, med ökningen av Al-sammansättningen, ökar joniseringsenergin för Mg-föroreningar gradvis, vilket resulterar i extremt låg joniseringshastighet av Mg; rörligheten för källområdet, särskilt hålen, är relativt låg.

Dessutom kommer låg hålkoncentration och låg hålrörlighet att få strömmen att trängas huvudsakligen under elektroden, vilket orsakar strömträngningseffekten. Som ett resultat ökar den lokala koncentrationen av bärare, Auger-rekombinationssannolikheten i den aktiva regionen ökas, enhetens korsningstemperatur ökas och livslängden för DUV-LED påverkas.

Så hur löser man detta problem? Vi delar flera lösningar med dig.

Med tanke på den låga hålinsprutningseffektiviteten i DUV LED-enheter optimerade forskarna strukturen hos DUV LED-enheter och föreslog konceptet med dielektriskt reglerad tunnelövergång, elektriskt fältminne, p-Al_yGa_1-årN/p-Al_xGa_1-xN/p-Al_yGa_1-årN (x<y) EBL och andra åtgärder för att förbättra hålinsprutningseffektiviteten. Närmare bestämt enligt följande:

1. Dielektriskt reglerad tunneling Junction

P-typselektroden för traditionell LED sputteras direkt och förångas på p-typ-halvledarskiktet, och den låga Mg-dopningseffektiviteten leder till ett uppenbart hålutarmningsområde i p-typ-halvledarskiktet, vilket ökar enhetens driftsspänning och minskar hålkoncentrationen i tillförselskiktet.

To this end, the researchers propose to use traditional homogenous tunneling junctions (p+-GaN/n+-GaN) and polarized tunneling junctions (p+-GaN/InGaN/n+-GaN), in which the n+-GaN layer is used as the metal contact layer, improving the hole injection and electrical properties of LED devices. For UV LEDs, the InGaN intercalation layer has serious light absorption for photons in the ultraviolet band.

At the same time, considering that the relative permittivity of AlGaN material decreases with the increase of AlN composition, as shown in Figure 2(a), certain research team used AlGaN material as the insertion layer, and proposed the concept of dielectrically regulated tunnel junction. The enhanced junction electric field increases the electron tunneling probability, thereby increasing the non-equilibrium hole concentration in the p+-GaN layer.

Fig. 2 (a) The relationship between the relative permittivity and AlN composition of the Al_xGa_1-xN layer; (b) the device with conventional homogeneous tunneling junction (A1) and the device with dielectric tunable tunneling junction (A2) electric field distribution in the tunnel junction region. The inset shows the relationship between the peak electric field and polarization level in the tunnel junction region.

2. Electric Field Memory

Hålförsörjningsskiktet i den konventionella DUV LED-enheten innefattar två delar, ett p-AlGaN-skikt och ett p-GaN-skikt. Vid gränssnittet mellan de två finns det en barriärhöjd (dvs. Φh) som förhindrar hål från att injiceras från p-GaN-lagret till p-AlGaN-lagret, så ett hålutarmningsområde genereras nära p-AlGaN-lagret nära p-GaN-skiktet, såsom figur 3(a), och bredden på utarmningsområdet ökar med Φh, vilket gör att hålen blir allvarligt utarmade i p-AlGaN-skiktet.

Som svar på detta problem fann forskare att riktningen för det elektriska utarmningsfältet överensstämmer med riktningen för håltransport, vilket kan accelerera hål i viss utsträckning och öka förmågan hos hål att injiceras i det aktiva området, som visas i Figur 3(b). Φh säkerställer att det elektriska utarmningsfältet i p-AlGaN-skiktet inte är avskärmat av fria bärare. Så forskargruppen kom på konceptet med ett elektriskt fältminne, där hål kontinuerligt kan skörda energi från detta utarmande elektriska fält.

Fig. 3 (a) Motsvarande energibanddiagram för håltillförselskiktet p-Al_xGa_1-xN/p-GaN heterojunction av DUV LED-enheten, i vilken p-Al_xGa_1-xN-skiktet har ett gränsyteutarmningsområde; (b) Schematiskt diagram av det elektriska fältets riktning i utarmningsområdet vid gränsytan för p-Al_xGa_1-xN-skikt.

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

p-EBL förhindrar elektronläckage och hindrar även hålinjektion i det aktiva området. Figur 4(a) visar att ett stort antal hål kommer att ackumuleras vid p-EBL/p-AlGaN-gränssnittet, och endast ett fåtal hål med hög energi injiceras i det aktiva området genom den termiska strålningsmekanismen (dvs. P1).

Att infoga ett tunt lager av material med låg bandbredd nära p-AlGaN-lagret i EBL föreslås. Ansamlingen av hål vid p-EBL/p-AlGaN-gränssnittet reduceras av tunnelmekanismen i bandet (dvs. P0), och sedan injiceras hålen i det aktiva området genom termisk strålningsmekanism (P2), som visas i Figurerna 4(b), 4(c).

Fig. 4 (a) energibanddiagram för konventionell DUV LED-anordning; (b) energibanddiagram för DUV LED-enhet med p-Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-årN/Al_xGa_1-xN (x>y) EBL; (c) hålfördelningskartor för p-EBL- och p-AlGaN-skikt.

4. Öka polarisationseffekten på hålinjektion

III-V-nitrider har en viktig fysisk egenskap, polarisationseffekten. För den traditionella [0001] kristallorienterade DUV-LED:n leder polarisationseffekten inte bara till kvantinneslutningen Stark-effekten, utan påverkar också allvarligt bärarinjektionseffektiviteten, vilket resulterar i försämring av enhetens prestanda. Men när polarisationsnivån för DUV LED-enhetsstrukturen ändrades som helhet, var prestandan för enheten med [0001] kristallografisk orientering (polarisationsnivå större än 0) signifikant bättre än den för [000-1] kristallografiska orientering, och den optiska uteffekten ökade med ökad polarisationsnivå och ytterligare förbättrad. Figurerna 5(a) och 5(b) visar att under olika polarisationsnivåer är fördelningen av hål i det aktiva området, p-EBL och håltillförselskiktet helt olika.

Detta fenomen studeras och det visar sig att en ökning av polarisationsnivån vid p-EBL/p-AlGaN/p-GaN-gränssnittet ökar energin i hål å ena sidan och försvagar barriärhöjden för p-EBL mot hål på å andra sidan förbättrar hålinsprutningseffektiviteten och förbättrar enhetens prestanda för DUV LED.

Fig. 5 när insprutningsströmmen är 35mA, (a) förhållandet mellan den optiska uteffekten och polarisationsnivån för DUV LED-anordningen; (b) fördelning av hål i kvantbrunnar, p-AlGaN-lager och p-GaN-lager vid olika polarisationsnivåer

5. Att öka AlN-sammansättningen av kvantbarriären förbättrar hålinsprutningen

Det har också visat sig att den sista kvantbarriären och den polariserade laddningen vid p-EBL-gränssnittet har viktiga effekter på hålinsprutningseffektiviteten. När kvantbarriärsammansättningen är lämpligt ökad (E3>E2>E1), ökar elektronkoncentrationen i kvantbrunnen avsevärt, vilket främst beror på att kvantbarriärens förmåga att binda elektroner förbättras. På liknande sätt kommer kvantbarriärens blockerande effekt på hål också att förstärkas avsevärt, vilket är teoretiskt ogynnsamt för injektion av hål. Men forskningsresultatet visar att hålen ökar med ökningen av kvantbarriärens sammansättning. Detta beror på att med ökningen av AlN-sammansättningen i kvantbarriären minskar polarisationsmissanpassningen mellan den sista kvantbarriären och p-EBL, vilket försvagar blockeringsförmågan hos p-EBL till hål, och därmed förbättrar den aktiva regionen, se figur 6( c).

Fig. 6 (c) Schematiskt diagram över energibandet för UVA LED-enhet

Förutom att söka genombrott inom epitaxiell tillväxtteknologi, kommer förståelsen av den interna fysiska mekanismen hos DUV LED att hjälpa forskare inom området att bättre förstå DUV LED och förbättra prestandan hos DUV LED-enheter.

För mer information, kontakta oss via e-post på victorchan@powerwaywafer.com och powerwaymaterial@gmail.com.