Các vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm rộng được đại diện bởi GaN và SiC có ưu điểm là trôi bão hòa điện tử nhanh và khả năng chống bức xạ mạnh, và có nhiều ứng dụng trong chiếu sáng trạng thái rắn, năng lượng điện tử và truyền thông di động. Trong số đó, chiếu sáng ở trạng thái rắn có ý nghĩa to lớn đối với việc cải thiện sự nóng lên toàn cầu ngày nay và sự suy thoái của môi trường sinh thái. Ngoài việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, đèn LED UV được thể hiện bằng điốt phát tia cực tím sâu (đèn LED DUV) đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực khử trùng và khử trùng do năng lượng photon lớn của chúng. Là nhà sản xuất tấm wafer hàng đầu, PAM-XIAMEN cung cấp tấm wafer AlGaN / GaN để chế tạo đèn LED, vui lòng tham khảohttps://www.powerwaywafer.com/gan-wafer/epitaxial-wafer.htmlcho các cấu trúc cụ thể.
Hình.1 Cấu trúc mặt trục điển hình của thiết bị LED DUV
Đèn LED UV có thể được chia thành: Đèn LED UVA (320 nm <λ <400 nm), Đèn LED UVB (280 nm <λ <320 nm), Đèn LED UVC (200 nm <λ <280 nm) và VUV (10 nm) <λ <200 nm), trong đó bước sóng phát xạ của đèn LED DUV ngắn hơn 360 nm. Vật liệu AlGaN có các đặc điểm của vùng cấm trực tiếp và độ rộng vùng cấm có thể điều chỉnh (3,4 eV ~ 6,2 eV), bao phủ hầu hết dải phát tia cực tím (200 nm ~ 365 nm), vì vậy nó trở thành vật liệu lý tưởng để chế tạo đèn LED DUV. Chúng tôi có thể cung cấp tấm wafer epi UV LED với bước sóng 275nm ~ 405nm, thông số kỹ thuật vui lòng xemhttps://www.powerwaywafer.com/uv-led-wafer-2.html. Trong những năm gần đây, nhờ công nghệ bào chế vật liệu AlGaN ngày càng hoàn hảo hơn, đèn LED DUV cũng đã có những bước tiến và phát triển vượt bậc.
Tuy nhiên, đèn LED DUV dựa trên vật liệu AlGaN vẫn gặp nhiều vấn đề. Trong số đó, hiệu suất phun sóng mang thấp hạn chế hiệu suất thiết bị của đèn LED DUV, đặc biệt là hiệu suất phun lỗ. Một mặt, khi thành phần Al tăng dần, năng lượng ion hóa của tạp chất Mg tăng dần, dẫn đến tốc độ ion hóa của Mg cực thấp; tính linh động của vùng nguồn, đặc biệt là các lỗ, tương đối thấp.
Ngoài ra, nồng độ lỗ thấp và độ linh động của lỗ thấp sẽ làm cho dòng điện tập trung chủ yếu dưới điện cực, gây ra hiệu ứng dòng điện. Kết quả là, nồng độ cục bộ của các hạt tải điện được tăng lên, xác suất tái kết hợp của Auger trong vùng hoạt động được tăng lên, nhiệt độ tiếp giáp của thiết bị được tăng lên và tuổi thọ của đèn LED DUV bị ảnh hưởng.
Vì vậy, làm thế nào để giải quyết vấn đề này? Chúng tôi chia sẻ một số giải pháp với bạn.
Do hiệu suất phun lỗ thấp trong các thiết bị LED DUV, các nhà nghiên cứu đã tối ưu hóa cấu trúc của thiết bị LED DUV và đề xuất khái niệm về điểm nối đường hầm được điều chỉnh điện môi, bộ nhớ điện trường, p-AlyGa1 nămN / p-AlxGa1-xN / p-AlyGa1 nămN (x <y) EBL và các biện pháp khác để cải thiện hiệu quả phun lỗ. Cụ thể như sau:
1. Điểm nối đường hầm được điều chỉnh bằng điện môi
Điện cực loại p của đèn LED truyền thống được phóng xạ và bốc hơi trực tiếp trên lớp bán dẫn loại p, và hiệu suất pha tạp Mg thấp dẫn đến vùng suy giảm lỗ trống rõ ràng trong lớp bán dẫn loại p, làm tăng điện áp hoạt động của thiết bị và làm giảm nồng độ lỗ trong lớp cung cấp.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu đề xuất sử dụng các mối nối đường hầm đồng nhất truyền thống (p + -GaN / n + -GaN) và các mối nối đường hầm phân cực (p + -GaN / InGaN / n + -GaN), trong đó lớp n + -GaN được sử dụng làm kim loại lớp tiếp xúc, cải thiện khả năng phun lỗ và đặc tính điện của các thiết bị LED. Đối với đèn LED UV, lớp xen kẽ InGaN có khả năng hấp thụ ánh sáng nghiêm trọng đối với các photon trong dải cực tím.
Đồng thời, xét thấy khả năng cho phép tương đối của vật liệu AlGaN giảm khi thành phần AlN tăng lên, như thể hiện trong Hình 2 (a), một số nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu AlGaN làm lớp chèn và đề xuất khái niệm đường hầm điều chỉnh điện môi. . Điện trường tiếp giáp tăng cường làm tăng xác suất tạo đường hầm của điện tử, do đó làm tăng nồng độ lỗ trống không cân bằng trong lớp p + -GaN.
Hình 2 (a) Mối quan hệ giữa độ cho phép tương đối và thành phần AlN của AlxGa1-xLớp N; (b) thiết bị có điểm nối đường hầm đồng nhất thông thường (A1) và thiết bị có điểm nối đường hầm có thể điều chỉnh điện môi (A2) phân bố điện trường trong vùng tiếp giáp đường hầm. Hình trong cho thấy mối quan hệ giữa điện trường đỉnh và mức phân cực trong vùng tiếp giáp đường hầm.
2. Bộ nhớ điện trường
Lớp cung cấp lỗ của thiết bị LED DUV thông thường bao gồm hai phần, lớp p-AlGaN và lớp p-GaN. Tại mặt phân cách giữa hai lớp này, có một chiều cao chắn (tức là Φh) ngăn các lỗ được tiêm từ lớp p-GaN sang lớp p-AlGaN, do đó, một vùng suy giảm lỗ được tạo ra gần lớp p-AlGaN gần lớp p-GaN, chẳng hạn như Hình 3 (a), và chiều rộng của vùng suy giảm tăng theo Φh, khiến các lỗ bị cạn kiệt nghiêm trọng trong lớp p-AlGaN.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hướng của điện trường suy giảm phù hợp với hướng vận chuyển của lỗ, có thể gia tốc lỗ đến một mức độ nhất định và tăng khả năng của lỗ được tiêm vào vùng hoạt động, như thể hiện trong Hình 3 (b). Φh đảm bảo rằng điện trường suy giảm trong lớp p-AlGaN không bị che chắn bởi các hạt tải điện tự do. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã đưa ra khái niệm về bộ nhớ điện trường, trong đó các lỗ có thể liên tục thu năng lượng từ điện trường đang cạn kiệt này.
Hình 3 (a) Biểu đồ vùng năng lượng tương ứng của lớp cung cấp lỗ p-AlxGa1-xDị liên kết N / p-GaN của thiết bị LED DUV, trong đó p-AlxGa1-xLớp N có vùng suy giảm giao diện; (b) Giản đồ hướng điện trường trong vùng suy giảm ở mặt phân cách của p-AlxGa1-xLớp N.
3. p-AlyGa1 nămN / p-AlxGa1-xN / p-AlyGa1 nămN (x <y) EBL
p-EBL ngăn chặn sự rò rỉ điện tử và cũng cản trở việc tiêm lỗ trống vào vùng hoạt động. Hình 4 (a) cho thấy một số lượng lớn các lỗ sẽ tích tụ tại mặt phân cách p-EBL / p-AlGaN, và chỉ một số lỗ có năng lượng cao được đưa vào vùng hoạt động thông qua cơ chế bức xạ nhiệt (tức là P1).
Chèn một lớp mỏng vật liệu băng thông thấp gần lớp p-AlGaN trong EBL được đề xuất. Sự tích tụ các lỗ tại giao diện p-EBL / p-AlGaN được giảm bớt bởi cơ chế đào đường hầm trong băng (tức là P0), và sau đó các lỗ được đưa vào vùng hoạt động thông qua cơ chế bức xạ nhiệt (P2), như được hiển thị trong Hình 4 (b), 4 (c).
Hình 4 (a) biểu đồ dải năng lượng của thiết bị LED DUV thông thường; (b) biểu đồ dải năng lượng của thiết bị LED DUV với p-AlxGa1-xN / AlyGa1 nămN / AlxGa1-xN (x> y) EBL; (c) bản đồ phân bố lỗ của các lớp p-EBL và p-AlGaN.
4. Tăng hiệu ứng phân cực trên lỗ phun
Các nitrua III-V có một tính chất vật lý quan trọng là hiệu ứng phân cực. Đối với LED DUV định hướng tinh thể [0001] truyền thống, hiệu ứng phân cực không chỉ dẫn đến hiệu ứng Stark giam giữ lượng tử mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất phun hạt tải điện, dẫn đến giảm hiệu suất của thiết bị. Tuy nhiên, khi mức độ phân cực của cấu trúc thiết bị LED DUV được thay đổi tổng thể, hiệu suất của thiết bị có định hướng tinh thể học [0001] (mức độ phân cực lớn hơn 0) tốt hơn đáng kể so với định hướng tinh thể học [000-1] định hướng, và công suất đầu ra quang học tăng lên khi mức độ phân cực tăng lên và được cải thiện hơn nữa. Hình 5 (a) và 5 (b) cho thấy rằng dưới các mức phân cực khác nhau, sự phân bố của các lỗ trong vùng hoạt động, p-EBL và lớp cung cấp lỗ là khá khác nhau.
Hiện tượng này được nghiên cứu và người ta thấy rằng việc tăng mức độ phân cực tại mặt phân cách p-EBL / p-AlGaN / p-GaN làm tăng năng lượng của các lỗ và một mặt làm suy yếu chiều cao chắn của p-EBL đối với các lỗ trên mặt khác, do đó cải thiện hiệu quả phun lỗ và cải thiện hiệu suất thiết bị của đèn LED DUV.
Hình 5 khi dòng điện phun là 35mA, (a) mối quan hệ giữa công suất đầu ra quang và mức phân cực của thiết bị LED DUV; (b) sự phân bố của các lỗ trống trong giếng lượng tử, lớp p-AlGaN và lớp p-GaN ở các mức phân cực khác nhau
5. Tăng thành phần AlN của rào cản lượng tử cải thiện quá trình phun lỗ
Người ta cũng phát hiện ra rằng rào cản lượng tử cuối cùng và điện tích phân cực tại giao diện p-EBL có những ảnh hưởng quan trọng đến hiệu quả phun lỗ. Khi thành phần hàng rào lượng tử được tăng lên một cách thích hợp (E3> E2> E1), nồng độ điện tử trong giếng lượng tử tăng lên đáng kể, điều này chủ yếu là do khả năng liên kết các điện tử của hàng rào lượng tử được tăng cường. Tương tự như vậy, hiệu ứng chặn của rào cản lượng tử đối với các lỗ cũng sẽ được tăng cường đáng kể, điều này về mặt lý thuyết là không thuận lợi cho việc phun các lỗ. Nhưng kết quả nghiên cứu cho thấy rằng các lỗ trống tăng lên cùng với sự gia tăng của thành phần rào cản lượng tử. Điều này là do với sự gia tăng thành phần AlN trong hàng rào lượng tử, sự không phù hợp phân cực giữa hàng rào lượng tử cuối cùng và p-EBL giảm, làm suy yếu khả năng chặn của p-EBL đối với các lỗ, do đó cải thiện vùng hoạt động, xem hình 6 ( c).
Hình 6 (c) Sơ đồ dải năng lượng của thiết bị LED UVA
Ngoài việc tìm kiếm những bước đột phá trong công nghệ tăng trưởng biểu mô, việc hiểu cơ chế vật lý bên trong của đèn LED DUV sẽ giúp các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này hiểu rõ hơn về đèn LED DUV và cải thiện hiệu suất của thiết bị đèn LED DUV.
Để biết thêm thông tin, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email victorchan@powerwaywafer.com và powerwaymaterial@gmail.com.