Verbesserte Stromverteilung in AlGaN-basierten Deep-UV LEDs durch PNP-AlGaN-Strukturen

Zusammenfassung

Wir untersuchen AlGaN-basierte Deep-Ultraviolett-Lichtemittierende Dioden (DUV LEDs), die eine p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN (PNP-AlGaN) Stromverteilungsschicht enthalten. Die PNP-AlGaN-Struktur führt eine Valenzbandbarriere ein, die den lateralen Stromfluss umformt und dadurch Vorwärtsspannung, externe Quanteneffizienz (EQE), optische Leistung und Wandsteckereffizienz (WPE) im Vergleich zu konventionellen DUV LEDs ohne dieses Merkmal verbessert.

Einleitung

Seit ihrer ersten Demonstration 2003 haben sich AlGaN-basierte DUV LEDs als Schlüsselkomponenten für Wassersterilisation, Luftreinigung und andere UV-Anwendungen etabliert [1-7]. Dennoch bleibt die EQE typischerweise unter 10 %, wenn Emissionswellenlängen unter 300 nm fallen [8], primär aufgrund begrenzter interner Quanteneffizienz (IQE), gesteuert durch Ladungsträgerinjektion und dislokationsvermittelte Rekombination [8]. Viele DUV-Bauelemente werden auf Saphir in Flip-Chip-Architektur gefertigt, um Lichtextraktion zu verbessern, was jedoch sowohl n- als auch p-Elektroden auf derselben Seite erfordert, was nicht-uniforme laterale Stromdichte und den berüchtigten Stromverdichtungseffekt induziert [9]. Stromverdichtung kann lokale Joule-Erwärmung und ungleichmäßige Lichtausbeute erzeugen [10-12], was die Bauelementlebensdauer verkürzt. Schlechte Mg-Dotierungseffizienz in Al-reichen p-AlGaN behindert die elektrische Leitfähigkeit weiter [13], was die Notwendigkeit verbesserter Stromverteilung unterstreicht.

Während verschiedene Strategien – selektive Ionenimplantation, Stromblockierschichten, Stickstoff-Vakanz-Engineering und optimierte ohmsche Kontakte – Stromverdichtung in GaN-basierten blauen LEDs erfolgreich gemildert haben [15-21], sind analoge Lösungen für DUV LEDs rar. Hier schlagen wir eine p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN (PNP-AlGaN) Stromverteilungsschicht vor, die eine Valenzbandbarriere generiert, die den Widerstand der p-Typ-Lochinjektionsschicht moduliert und den lateralen Stromfluss steuert. Durch Optimierung des PNP-AlGaN-Designs demonstrieren wir signifikante Gewinne in EQE, WPE und reduzierter Vorwärtsspannung. Wir führen auch eine umfassende Parameterstudie zum Einfluss der PNP-Schleifenzahl, Si-Dotierung, Schichtdicke und AlN-Zusammensetzung auf die Bauelementleistung durch.

Forschungsmethoden und Physikmodelle

Alle simulierten Bauelemente bestehen aus einem 4-µm-dicken n-Al_0,60Ga_0,40N-Basisschicht (Si 5 × 10¹⁸ cm⁻³), gefolgt von fünf Perioden von 3-nm Al_0,45Ga_0,55N/12-nm Al_0,56Ga_0,44N Mehrfach-Quantenfellen (MQWs). Die MQWs werden von einer 18-nm p-Al_0,60Ga_0,40N Elektronenblockierschicht (EBL), einer 198-nm p-Al_0,40Ga_0,60N-Schicht und einer 50-nm p-GaN-Kappe abgeschlossen. Lochkonzentrationen sind auf 3 × 10¹⁷ cm⁻³ im gesamten Bereich gesetzt. Für PNP-AlGaN-Bauelemente wird die konventionelle p-Al_0,40Ga_0,60N-Schicht durch einen p-Al_0,40Ga_0,60N/n-Al_xGa_1-xN/p-Al_0,40Ga_0,60N-Stack ersetzt, wie in Abb. 1b gezeigt. Das n-Al_xGa_1-xN-Insert ist Si-dotiert (5,3 × 10¹⁷ cm⁻³) und 20-nm dick, was eine Valenzbandbarriere erzeugt, die den lateralen Stromfluss formt (Abb. 1c).

Zur Veranschaulichung des Mechanismus modellieren wir die DUV LED auf Saphir als äquivalentes Schaltbild (Abb. 2a). Mit einer dünnen Stromverteilungsschicht (≈200 nm) und einer dicken n-AlGaN-Injektionsschicht (≈4 µm) nimmt die laterale Stromdichte von der p-Elektrode nach außen ab, was Stromverdichtung erzeugt. Die Einführung von PNP-AlGaN teilt den Gesamtstrom in eine vertikale Komponente (J₁) und eine horizontale Komponente (J₂) auf, wie in Abb. 2b dargestellt. Der Zusammenhang folgt

$$\frac{J_1}{J_2}\approx\frac{l}{\frac{\rho_p}{\rho_{\mathrm{CL}}}t_p+\frac{N\cdot\rho_{\mathrm{PNP}}}{\rho_{\mathrm{CL}}}}$$

wobei ρ_p der p-Schicht-Widerstand, ρ_CL der Verteilerschicht-Widerstand, ρ_PNP der Grenzflächenwiderstand jedes PNP-Übergangs und N die Übergangsanzahl ist. Dieser Ausdruck zeigt, dass die Reduzierung von ρ_CL oder die Erhöhung von ρ_PNP (durch dickere oder stärker dotierte n-AlGaN) die horizontale Stromkomponente J₂ erhöht und die Verteilung verbessert.

Bauelementphysik wird mit APSYS simuliert, wobei ein 50:50 Leitungs-/Valenzbandoffset-Verhältnis für AlGaN/AlGaN-Heteroübergänge, 40 % Polarisationladung, Auger-Koeffizient 1,0 × 10⁻³⁰ cm⁶/s, SRH-Lebensdauer 10 ns und 8 % Lichtextraktionseffizienz für DUV LEDs [33] verwendet werden.

Ergebnisse und Diskussionen

Wirksamkeit des PNP-AlGaN-Übergangs

Vergleicht man die Referenz-LED A (kein PNP-AlGaN) mit LED B (zwei PNP-AlGaN-Schleifen), so begegnen Löcher zwei Valenzbandbarrieren vor Erreichen der MQWs, was laterale Homogenisierung fördert (Abb. 3a). Die laterale Lochverteilung im letzten Quantenfilm (LQW) bestätigt ein uniformeres Profil für LED B (Abb. 3b), was mit der Energiebandanalyse übereinstimmt.

Lochkonzentrations- und strahlende Rekombinationsprofile bei 230 µm vom Mesa-Rand zeigen, dass LED B von höherer Lochinjektion in die MQWs profitiert, was zu einer 22,2 % EQE-Steigerung (3,38 % → 4,13 %) und einem leichten Anstieg der Vorwärtsspannung führt (Abb. 5b). Trotz diesem verbessert sich die Wandsteckereffizienz (WPE) von 3,56 % auf 4,27 % (Abb. 5c). Ein deutlicherer Spannungsabfall über den PNP-AlGaN-Übergang erklärt den beobachteten WPE-Abfall bei hohen Stromdichten (Abb. 8).

Optimierung der n-AlGaN-Dicke

Durch Variation der 20-nm n-AlGaN-Einlage von 6 auf 34 nm erhöhen wir systematisch die Valenzbandbarrierehöhe (Tabelle 1). Erhöhte Barrieren steigern den Grenzflächenwiderstand (ρ_PNP), treiben mehr lateralen Strom und verteilen Löcher gleichmäßiger über den LQW (Abb. 6a). Entsprechend steigen Lochkonzentration und strahlende Rekombination in den MQWs, was EQE und optische Leistung erhöht (Abb. 7a). Die Vorwärtsspannung steigt jedoch mit Barrierehöhe, und WPE erreicht ein Maximum bei 20-nm Einlage, bevor es für dickere Schichten abfällt (Abb. 8). Diese Ergebnisse verdeutlichen den Trade-off zwischen Verteilungsvorteil und zusätzlichem Spannungsabfall, der die optimale Einlagedicke leitet.

Einfluss der n-AlGaN-Dotierung

Erhöhung der Si-Dotierung von 1,3 × 10¹⁷ auf 1,73 × 10¹⁸ cm⁻³ in der 20-nm n-AlGaN-Schicht erhöht die Valenzbandbarriere (Tabelle 2), was horizontale Ströme verstärkt und Lochverteilung homogenisiert (Abb. 9a). Die resultierende höhere Lochkonzentration in den MQWs führt zu verbesserter strahlender Rekombination und EQE (Abb. 10a). Die Vorwärtsspannung steigt jedoch steil über 1,33 × 10¹⁸ cm⁻³, was einen parasitären Diodeneffekt anzeigt, und WPE fällt, da Spannungsverbrauch dominiert (Abb. 11).

Effekt der PNP-AlGaN-Übergangsanzahl

Bei festen 20-nm, 5,3 × 10¹⁷ cm⁻³ n-AlGaN und AlN = 0,40 vergleichen wir Bauelemente mit 1 bis 4 PNP-AlGaN-Schleifen (LEDs N1-N4). Mehr Schleifen erhöhen die kumulative Barriere (Tabelle 3), was die laterale Lochverteilung weiter abflacht (Abb. 12a) und Lochkonzentration sowie strahlende Rekombination steigert (Abb. 12b,c). EQE und Ausgangsleistung steigen mit Schleifenzahl, während die Vorwärtsspannung moderat zunimmt (Abb. 13b). WPE bleibt stabil, und sowohl EQE als auch WPE sättigen jenseits von vier Schleifen, was abnehmende Renditen anzeigt, wenn die p-Schicht zu dünn wird, um ausreichend Löcher zu liefern.

AlN-Zusammensetzung in n-AlGaN

Variation des AlN-Anteils in der 20-nm n-AlGaN von 0,40 auf 0,51 erhöht die Valenzbandbarriere (Tabelle 4). Eine moderate Erhöhung auf 0,43 optimiert Stromverteilung ohne Lochinjektion übermäßig zu blockieren. Bei höheren Zusammensetzungen wird die Barriere zu groß, was Lochpenetration reduziert (Abb. 15a,b). EQE verbessert sich mit Zusammensetzung bis 0,43, während die Vorwärtsspannung mit höheren AlN-Anteilen steigt (Abb. 16b). WPE erreicht ein Maximum bei 0,51 für Ströme über 89 A/cm², was die Notwendigkeit veranschaulicht, Verteilungsvorteil gegen Spannungsstrafe abzuwägen (Abb. 17).

Schlussfolgerungen

Die Studie demonstriert, dass ein p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN (PNP-AlGaN) Übergang die Stromverteilung in AlGaN-basierten DUV LEDs effektiv verbessert. Durch Anpassung der Einlagedicke, Si-Dotierung, AlN-Zusammensetzung und Übergangsanzahl wird der vertikale Widerstand erhöht, während der horizontale Strom verstärkt wird, was zu höherer EQE und WPE führt. Allerdings erhöhen übermäßige Barrierehöhe oder zu viele Übergänge die Vorwärtsspannung und können WPE reduzieren. Daher ist ein ausgewogenes Design – Optimierung aller vier Parameter – essenziell für Maximierung der Bauelementeffizienz.