Einfluss der Quanten-Well-Breite auf die Elektrolumineszenz-Eigenschaften von AlGaN-Tiefen-Ultraviolett-Leuchtdioden bei verschiedenen Temperaturen

Hintergrund

Auf AlGaN basierende lichtemittierende Dioden im tiefen Ultraviolett (DUV-LEDs) können in großem Umfang in den Bereichen Festkörperbeleuchtung, Medizin, Biochemie usw. verwendet werden. Daher werden immer mehr Anstrengungen unternommen, um die Kristallqualität der Materialien [1,2,3,4], die p-Dotierungstechniken und die Optimierung der Bauelementstrukturen zu verbessern [5,6,7,8, 9]. Miyakeet al. zeigten, dass die AlN-Kristallqualität durch Hochtemperaturglühen deutlich verbessert werden kann [3]. Durch Erhöhung der Wachstumstemperatur haben Sun et al. erhielten hochwertige AlN-Dickfilme auf Saphir [2]. Kürzlich haben Jiang et al. untersuchten die Defektentwicklung beim homoepitaktischen AlN-Wachstum [1]. Ihre Ergebnisse trugen zum Verständnis des AlN-Homoepitaxie-Mechanismus bei und lieferten die entscheidenden Techniken zur Verbesserung der Kristallqualität. Darüber hinaus wurden viele Methoden zur Verbesserung der Lichtextraktion vorgeschlagen, wie beispielsweise photonische Kristalle und Nanostrukturen und Oberflächenplasmonen [10,11,12]. In den letzten Jahrzehnten wurden bei dieser Art von LED große Fortschritte erzielt, die von Li et al. [13]. Dennoch ist die Leistungsfähigkeit der Geräte aufgrund der geringen externen Quanteneffizienz noch weit von der praktischen Anwendung entfernt. Es ist bekannt, dass Nitride der Gruppe III Wurtzit-Strukturen aufweisen, in denen die großen spontanen und piezoelektrischen Felder zu einem geneigten Banddiagramm führen. Diese geneigten Bänder hatten einen großen Einfluss auf Gruppe-III-Nitrid-basierte Geräte wie LED, LD [14, 15] und UV-Detektoren [16, 17]. Hirayamaet al. berichteten über den Einfluss der Breite der Quantenmulden (QW) auf die Photolumineszenz (PL)-Eigenschaften in AlGaN-basierten Single-QW-DV-LEDs [18]. Sie fanden heraus, dass die LEDs mit einer QW-Breite von 1,5–1,7 nm eine höhere Lumineszenz zeigten und die PL-Intensität abnahm, wenn die QW-Breite weniger als 1,5 nm betrug, was auf eine Zunahme der nichtstrahlenden Rekombination an den Heterogrenzflächen zurückgeführt wurde. In dieser Arbeit haben wir DUV-LEDs mit unterschiedlichen Quantenwell-(QW-)Breiten hergestellt und den Einfluss der QW-Breite und der Temperatur auf die Elektrolumineszenz-(EL)-Eigenschaften untersucht. Wir haben festgestellt, dass die LEDs mit einer QW-Breite von 3,5 nm die höchste maximale externe Quanteneffizienz (EQE) aufweisen. Mit abnehmender Temperatur nahm der Strom für die maximale EQE für alle LEDs ab, was vermutlich auf die Abnahme der Lochkonzentration und die Zunahme des überlaufenden Elektronenstroms zurückzuführen ist.

Methoden

Die LEDs wurden durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung auf (0001)-Saphir-Substrat unter Verwendung einer 1,0 µm AlN-Pufferschicht gefolgt von einer 0,5 µm dicken undotierten Al_0,6 . aufgewachsen Ga_0,4 N und ein 1,0 μm dickes n-Al_0,6 Ga_0,4 N-Vorlage. Die Versetzungsdichte der Vorlage beträgt etwa 6 × 10 ⁹ . cm ^− 2 gemessen durch Transmissionselektronenmikroskopie. Dann Al_0,49 Ga_0,51 N/Al_0,58 Ga_0.42 N multiple QWs (MQWs) wurden als aktive Regionen gezüchtet. Die Dicke der Barrieren betrug 5,0 nm. p-Al_0,3 Ga_0,7 N (25 nm)/Al_0,6 Ga_0,4 N (25 nm) wurde als p-Typ-Schichten verwendet. Schließlich wurde eine 200 nm p-GaN-Kontaktschicht abgeschieden. Basierend auf der obigen Struktur wurden drei Proben mit den Namen LEDs A, B und C mit einer QW-Breite von 2,0, 3,5 bzw. 5,0 nm gezüchtet.

500 μm × 500 μm quadratische Geometrie p -n Übergangsvorrichtungen wurden unter Verwendung standardmäßiger lithographischer Techniken hergestellt, um das Merkmal zu definieren, und reaktives Ionenätzen, um die n . freizulegen -Al_0,6 Ga_0,4 N Ohmsche Kontaktschicht. Ohmsche Kontakte vom n-Typ aus Ti/Al/Ni/Au (15/80/12/60 nm) wurden durch Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden und mit einem schnellen thermischen Glühsystem bei 900 °C für 30 s in einer Stickstoffatmosphäre geglüht. Für transparentes p -Kontakte, Ni/Au (6/12 nm) Schichten wurden elektronenstrahlabgeschieden und in Luftatmosphäre bei 600 °C für 3 Minuten getempert. Das Gerät wurde mit der Abscheidung von Ni/Au (5/60 nm) p . abgeschlossen Kontakt. Das EL-Spektrum wurde von 5 K bis Raumtemperatur (RT) mit dem Symphony UV-enhanced liquid stickstoff-cooled Charge-Coupled Device Detektor von Jonin Yvon gemessen. Um den Einfluss des thermischen Heizeffekts zu vermeiden [19], wurde bei den EL-Messungen die Pulsinjektion mit 1 μs Strompuls bei 0,5 % verwendet.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a zeigt die EL-Spektren, die bei Raumtemperatur (RT) für die LEDs A, B und C unter einem Gleichstrom von 100 mA gemessen wurden, wobei alle Spektren auf die Band-zu-Band-Emission normiert wurden. Die EL-Peaks für die LEDs A, B und C lagen bei 261, 265 bzw. 268 nm. Offensichtlich zeigte der EL-Peak mit zunehmender QW-Breite eine Rotverschiebung. Darüber hinaus sollte beachtet werden, dass im EL-Spektrum in LED A ein schwacher parasitärer Peak um 304 nm existierte, der mit einem Elektronenüberlauf in Verbindung gebracht wurde [20]. Abbildung 1b zeigt die relative EQE als Funktion des Pulsstroms für alle LEDs. Alle Werte wurden auf den maximalen EQE von LED B normiert. Der maximale EQE von LED B war etwa 6,8 bzw. 4,8 mal höher als der von LEDs A bzw. C.

a Die RT-EL-Spektren für die LEDs A, B und C bei Gleichstrom von 100 mA. Alle Spektren wurden auf die Band-zu-Band-Emission normalisiert. b Die relative EQE als Funktion des Pulsstroms

Um den Grund zu verstehen, wurde APSYS verwendet, um die Energieniveaus und Wellenfunktionen von Trägern zu simulieren. Abbildung 2a–c zeigen die Bandstrukturen, das Grundzustandsniveau und die Trägerwellenfunktionen in einem QW bei einem Strom von 100 mA für die LEDs A, B bzw. C. Aufgrund des großen internen Felds, das durch den Polarisationseffekt und die angelegte Vorwärtsspannung induziert wurde, zeigte die Bandstruktur von QW eine geneigte Form und die räumliche Überlappung der Wellenfunktionen von Elektronen und Löchern wurde geringer, wenn die QW-Breite aufgrund der quantenbegrenzten Starker Effekt (QCSE). Die Energielücke der Grundzustände für die LEDs A, B und C betrug 4,733, 4,669 bzw. 4,637 eV, was gut mit der Emissionswellenlänge übereinstimmte, wie in Abb. 1a gezeigt. Außerdem sollte beachtet werden, dass die Fähigkeit der Träger, durch die QWs einzugrenzen, mit abnehmender QW-Breite abnahm. Der quantenbegrenzte Effekt führte zu einem Anstieg des Grundzustandsniveaus mit abnehmender QW-Breite. Die Werte der Barrierehöhe betrugen 0,030, 0,057 und 0,069 eV für die LEDs A, B bzw. C. Daher war der EQE von LED A aufgrund des Elektronenstromüberlaufs geringer als der von LED B, was durch den in Abb. 1a gezeigten offensichtlichen parasitären Peak bestätigt werden konnte. Obwohl LED C in allen Geräten die höchste Barriere für Elektronenüberlauf hatte, war ihre EQE aufgrund der QCSE immer noch geringer als die von LED B.

Die Bandstruktur, der Grundzustandspegel und die Trägerwellenfunktionen in einem QW bei einem Strom von 100 mA für (a ) LED A, (b ) LED B und (c ) LED C

Der EQE bei niedriger Temperatur wurde gemessen, um die Geräteleistung zu bewerten. Abbildung 3a zeigt die relative EQE, gemessen bei 5 K. Alle Werte wurden auf die maximale EQE von LED B normiert. Offensichtlich nahm der Injektionsstrom für die maximale EQE im Vergleich zu denen bei RT für alle Geräte deutlich ab. Die maximale EQE von LED B war etwa 8,2 bzw. 1,6 mal höher als die der LEDs A bzw. C. Die stromabhängigen EKE wurden bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen. Abbildung 3b zeigt die stromabhängige relative EQE bei unterschiedlicher Temperatur für LED B. Alle Werte wurden auf die maximale EQE bei 10 K normiert. Es ist zu erkennen, dass der Strom für die maximale EQE mit sinkender Temperatur abnahm. Das gleiche Phänomen wurde für alle drei LEDs gefunden. Es war allgemein bekannt, dass die Lochkonzentration in Massenmaterialien aufgrund der hohen Ionisierungsenergie von Mg in p-AlGaN mit sinkender Temperatur schnell abnimmt. In unserer Struktur konnte gezeigt werden, dass mit abnehmender Temperatur auch die Lochkonzentration abnahm [21]. Wir haben auch die Lochverteilung bei verschiedenen Temperaturen simuliert. Abbildung 4 zeigt die Lochkonzentrationen im aktiven Bereich bei 100 und 300 K für LED B unter der Injektion von 100 mA. Offensichtlich nahm die Lochkonzentration mit abnehmender Temperatur ab. Darüber hinaus kann der aus den QWs überfließende Elektronenstrom als [22] ausgedrückt werden.

a Der relative EQE bei 5 K und (b ) die stromabhängige relative EQE bei unterschiedlicher Temperatur für LED B

Die Lochkonzentrationen im aktiven Bereich bei 100 und 300 K für LED B unter der Injektion von 100 mA

\( {J}_{\mathrm{Überlauf}}=D{\left(\frac{\Delta E}{kT}\right)}^3 qBl \)

wo D ist eine Konstante, ΔE ist die Differenz von Fermi-Niveau und Bandkante von Quantentöpfen, K ist die Boltzmann-Konstante, T ist die Temperatur, q ist die Elektronenladung, B der bimolekulare Strahlungsrekombinationskoeffizient ist und l ist die Dicke von MQWs. Für eine bestimmte LED ist der Beitrag der Variation von ΔE zu J _Überlauf konnte im Vergleich zu T . vernachlässigt werden als die Temperatur sank. Daher ist die J _Überlauf stieg bei 5 K im Vergleich zu RT signifikant an, was als Hauptgrund für die Abnahme des Injektionsstroms angesehen wurde, bei dem die maximale EQE erreicht wurde. Die J _Überlauf nahm mit steigender Temperatur ab, was zu einem Anstieg des Injektionsstroms für die maximale EQE führte, wie in Abb. 3b gezeigt. Bei niedriger Temperatur würde die interne Effizienz aufgrund des Ausfrierens nicht strahlender Zentren, wie der Versetzungen, steigen, was für LED C mit dem größten Volumen der aktiven Region von Vorteil war. Dies war der wahrscheinlichste Grund, warum das EQE-Verhältnis von LED B zu LED C bei 5 K im Vergleich zu RT abnahm. Ebenso stieg das EQE-Verhältnis von LED B zu LED A bei 5 K im Vergleich zu RT.

Schlussfolgerungen

Wir haben den Einfluss der QW-Breite auf die EL-Eigenschaften von AlGaN-DUV-LEDs bei verschiedenen Temperaturen untersucht. Die EL-Spektren zeigten mit zunehmender QW-Breite eine Rotverschiebung. Die maximale EQE für LEDs mit einer QW-Breite von 3,5 nm war etwa 6,8- bzw. 4,8-mal höher als die von 2 bzw. 5 nm bei RT. Diese Werte wurden jedoch bei 5 K auf 8,2 bzw. 1,6 geändert. Die unterschiedlichen Änderungen der maximalen EQE-Verhältnisse wurden der Abnahme der nichtstrahlenden Rekombination und der Zunahme des Volumens der aktiven Region zugeschrieben. Aus der theoretischen Analyse ergab die LED mit 2-nm-Wells aufgrund des quantenbegrenzten Effekts eine flachste Barriere für den Elektronenüberlauf, während die LED mit 5-nm-Wells aufgrund des großen internen Felds die geringste Überlappung von Elektron und Loch zeigte. Daher zeigte die LED mit 3,5 nm QWs den höchsten maximalen EQE. Mit abnehmender Temperatur nahm der Strom für die maximale EQE für alle LEDs ab, was vermutlich auf die Zunahme des Elektronenüberlaufs aus den QWs und die Abnahme der Lochkonzentration zurückzuführen ist. Die maximale EQE für LEDs mit einer QW-Breite von 3,5 nm betrug etwa das 8,2- bzw. 1,6-fache derjenigen von 2 bzw. 5 nm bei 5 K, was vermutlich auf die Abnahme der nichtstrahlenden Rekombinationszentren und die Zunahme des Volumens zurückzuführen ist der aktiven Region.

Abkürzungen

DUV-LEDs:

Leuchtdioden im tiefen Ultraviolett

EL:

Elektrolumineszenz

EQE:

Externe Quanteneffizienz

MQW:

Mehrfachquantentopf

PL:

Photolumineszenz

QCSE:

Quantenbegrenzter Stark-Effekt

QW:

Quantenbrunnen

RT:

Raumtemperatur