Verbesserung der Deep-UV-LED-Leistung durch lokal modulierte NPN-AlGaN-Stromspreizschichten

Zusammenfassung

Wir präsentieren eine neuartige Strategie zur Verbesserung der Stromspreizung in AlGaN-basierten Deep-UV-Lichtemittierenden Dioden (DUV-LEDs) durch Einfügen einer lokal dotierten n-AlGaN/p-AlGaN/n-AlGaN (NPN-AlGaN) Struktur in die Elektronenzuflusschicht. Die dünne p-AlGaN-Einlage erzeugt eine Leitungsbandbarriere, die den lateralen Strom in der p-typischen Lochzuflusschicht umverteilt und Stromdrängung (Current Crowding) mindert. Schlüssige Parameter – Mg-Dotiergrad, p-Schichtdicke, AlN-Zusammensetzung und Anzahl der NPN-Übergänge – beeinflussen den Spreizeffekt kritisch. Optimierte NPN-AlGaN-Schichten steigern optische Ausgangsleistung, externe Quanteneffizienz (EQE) und Wandsteckereffizienz (WPE) für DUV-LEDs.

Einleitung

AlGaN-basierte DUV-LEDs sind essenziell für Desinfektion, Wasseraufbereitung, medizinische Anwendungen und hochdichte optische Aufzeichnung. Jüngste Fortschritte in der Kristallqualität – wie graphen-unterstützte quasi-Van-der-Waals-Epitaxie von AlN auf nano-strukturiertem Saphir – haben Versetzungsdichten gesenkt und interne Quanteneffizienzen (IQE) auf 80 % gehoben. DUV-LEDs werden jedoch elektrisch betrieben, wobei Trägerinjektion und -transport die Leistung bestimmen. Eine prominente Herausforderung ist Stromdrängung, besonders unter hoher Vorspannung, aufgrund schlechter Mg-Dotiereffizienz in hoch-Al-gehaltigen p-AlGaN-Schichten und der lateralen Injektionsgeometrie von Flip-Chip-Strukturen. Stromspreizkonzepte basierend auf schmalstreifigen p-Kontakten oder ITO/ZGO-Schichten zeigten begrenzten Erfolg, oft behindert durch Grenzflächenwiderstand oder unzureichende laterale Leitfähigkeit.

In dieser Arbeit verlagern wir den Fokus von der p-Seite auf die n-typische Elektronenzuflusschicht. Durch Engineering des Dotierprofils in n-AlGaN zu NPN-AlGaN-Übergängen erzeugen wir kontrollierte Energiebarrieren, die lateralen Strom umverteilen, wodurch Lochinjektion und Gesamteffizienz gesteigert werden. Dieser Ansatz bietet größere Flexibilität für epitaxiale Optimierung und adressiert Stromdrängung direkt.

Forschungsmethoden und Physikalische Modelle

Die Basis-DUV-LED-Struktur umfasst eine 4-µm-dicke n-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N-Schicht, Si-dotiert mit 5×10¹⁸ cm⁻³, gefolgt von fünf Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N/Al₀.₅₆Ga₀.₄₄N MQWs (3 nm/12 nm). Ein 18-nm Mg-dotiertes p-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N Elektronenblockierschicht (EBL) kappen die MQWs, gefolgt von 50-nm Mg-dotierten p-Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N und p-GaN-Schichten, jeweils mit Lochkonzentrationen von 3×10¹⁷ cm⁻³. Geräte besitzen eine 350 × 350 µm² Mesa.

Abbildung 1b illustriert das Leitungsbandprofil für eine Struktur mit zwei NPN-AlGaN-Übergängen (NPNPN-AlGaN). Die Verarmung der p-AlGaN-Einlagen erzeugt vertikale Barrieren (φ₁, φ₂), die die laterale Stromverteilung steuern. Der Übergang muss vollständig verarmt sein, um im Durchbruchmodus zu arbeiten. Alle Geräte werden mit einer Referenz-LED ohne NPN-Übergänge verglichen.

Wir modellieren den Stromfluss mit einem Ersatzschaltbild (Abb. 2a), das vertikale (I₁) und horizontale (I₂) Komponenten trennt. NPN-Übergänge führen interfacialen Widerstand R_npn pro Übergang ein, der das I₁/I₂-Verhältnis reduziert (Gleichung 3). Erhöhung der Übergänge (N) oder Erhöhung von R_npn – durch Anpassung von AlN-Gehalt, Dicke oder Mg-Dotierung – fördert die laterale Spreizung weiter.

Gerätephysik wird mit Crosslight APSYS simuliert, validierte Modelle für Auger-Rekombination (1×10⁻³⁰ cm⁶s⁻¹), SRH-Lebensdauer (10 ns), Lichtextraktion (≈ 8 %) und 50:50 Bandversatz für AlGaN-Heteroübergänge. Polarisationladungen werden auf 40 % des Gitterfehlers gesetzt.

Ergebnisse und Diskussionen

Einfluss von NPN-AlGaN auf Stromspreizung

Vergleich der Referenz-LED A (kein NPN) mit LED B (ein NPN-Übergang, 20 nm p-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N, Mg = 1×10¹⁸ cm⁻³) zeigt zwei Leitungsbandbarrieren in LED B (Abb. 3a). Diese Barrieren erhöhen R_npn, senken I₁/I₂ und ermöglichen eine gleichmäßigere laterale Lochverteilung im letzten Quantenfilm (LQW) (Abb. 3b). Folglich steigen Lochkonzentrationen und radiative Rekombinationsraten in den MQWs (Abb. 4a-b), was zu höherer EQE und optischer Leistungsdichte führt (Abb. 5a). Obwohl die Vorspannung leicht ansteigt (Abb. 5b), übertrifft die Wandsteckereffizienz (WPE) die Referenz ab ~56 A cm⁻² (Abb. 5c), was den Nutzen von NPN-AlGaN-Engineering bestätigt.

Einfluss der AlN-Zusammensetzung in der p-AlGaN-Schicht

Fünf Geräte (Cᵢ, i = 1-5) wurden mit AlN-Anteilen von 0,60, 0,63, 0,66, 0,69, 0,72 in der 20-nm-p-Schicht (Mg = 1,8×10¹⁸ cm⁻³) gefertigt. Höherer AlN-Gehalt erhöht die Leitungsbandbarriere (Tabelle 1), erhöht R_npn und reduziert I₁/I₂ (Gleichung 3). Laterale Lochprofile (Abb. 6a) und MQW-Konzentrationen (Abb. 6b-c) zeigen fortschreitend verbesserte Uniformität und höhere Trägerdichten mit größerem AlN-Gehalt. EQE und optische Leistungsdichte folgen diesem Trend (Abb. 7a), während die Vorspannung moderat ansteigt (Abb. 7b). WPE-Vorteile sind bei mittlerem AlN-Anteil (C₂) maximiert, indem Barrierehöhe gegen zusätzlichen Spannungsabfall abgewogen wird (Abb. 8).

Mg-Dotierungseinfluss

Geräte Dᵢ (i = 1-5) variieren Mg-Dotierung in der 20-nm-p-Schicht (3×10¹⁷ – 3×10¹⁸ cm⁻³) bei AlN = 0,61. Erhöhung von Mg erweitert die Verarmungszone, erhöht Barriere und R_npn (Tabelle 2). Laterale Lochverteilungen werden zunehmend uniform (Abb. 9a), was MQW-Lochkonzentrationen und radiative Rekombination steigert (Abb. 9b-c). EQE und optische Leistungsdichte steigen mit Dotierung (Abb. 10a), obwohl die Vorspannung ebenfalls ansteigt, besonders bei höchster Mg-Dotierung (Abb. 10b). WPE verbessert sich bis Mg = 2×10¹⁸ cm⁻³, fällt aber bei höchster Dotierung aufgrund übermäßigen Spannungsabfalls (Abb. 11).

Dicke der p-AlGaN-Einlageschicht

Serie Tᵢ (i = 1-5) nutzt 18-, 20-, 24-, 28- und 32-nm-p-Schichten (AlN = 0,61, Mg = 1,5×10¹⁸ cm⁻³). Barrierehöhen steigen mit Dicke (Tabelle 3), weiter reduzierend I₁/I₂ und verbessernd laterale Spreizung (Abb. 12a). MQW-Lochkonzentrationen und Rekombinationsraten steigen entsprechend (Abb. 12b-c). Optische Leistung und EQE verbessern sich (Abb. 13a), und die Vorspannung sinkt signifikant für 20-, 24- und 28-nm-Geräte (Abb. 13b). Die dickste Schicht (32 nm) zeigt jedoch höhere Einschaltspannung aufgrund einer parasitären N-AlGaN/P-AlGaN-Diode. WPE erreicht ein Optimum bei optimaler Dicke, was sorgfältiges Tuning erfordert (Abb. 14).

Anzahl der NPN-AlGaN-Übergänge

LEDs Nᵢ (i = 1-5) enthalten 1 bis 5 NPN-Übergänge, jeweils mit 20-nm-p-Schichten (AlN = 0,61, Mg = 1,5×10¹⁸ cm⁻³). Während einzelne Barrierehöhen ähnlich sind (Tabelle 4), steigt die kumulative Barriere mit Übergangsanzahl, was laterale Spreizung verstärkt (Abb. 15a). MQW-Lochkonzentrationen und Rekombinationsraten verbessern sich progressiv (Abb. 15b-c). EQE und optische Leistungsdichte steigen mit Übergangsanzahl, aber Gewinne diminieren nach drei Übergängen (Abb. 16a). Die Vorspannung sinkt relativ zur Referenz (Abb. 16b), und WPE-Vorteile sind bis zu fünf Übergängen evident, wenngleich der inkrementelle Vorteil abnimmt (Abb. 17).

Fazit

Das Einbetten von NPN-AlGaN-Übergängen in die n-typische Elektronenzuflussschicht mildert Stromdrängung in der p-typischen Lochzuflussregion von AlGaN-basierten DUV-LEDs effektiv. Durch Tuning von AlN-Zusammensetzung, Mg-Dotierung, Einlageschichtdicke und Übergangsanzahl können wir lateralen Strom homogenisieren, Lochinjektion verbessern und EQE sowie WPE steigern. Während EQE konsistent profitiert, plateauieren WPE-Gewinne, wenn zusätzliche Spannungsabfälle von Barrieren den Spreizvorteil überwiegen – was die Wichtigkeit balancierten Designs unterstreicht. Diese Studie führt eine vielseitige, epitaxie-freundliche Stromspreizstrategie ein, die die Leistung von Hochleistungs-DUV-LEDs vorantreibt.