一、引言
以GaN和SiC為代表的第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、電子飽和漂移速度快和抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點,在固態(tài)照明、電子電力和移動通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。其中,固態(tài)照明對于改善當(dāng)今全球變暖以及生態(tài)環(huán)境惡化具有重要的意義。
除了節(jié)能環(huán)保,以深紫外發(fā)光二極管(DUV LED)為代表的紫外LED憑借其光子能量大的特點在殺菌消毒等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。
紫外LED根據(jù)發(fā)光波長可細(xì)分為:UVA LED(320 nm<λ<400 nm)、UVB LED(280 nm<λ<320 nm)、UVC LED(200 nm<λ<280 nm)以及VUV(10 nm<λ<200 nm),其中DUV LED的發(fā)光波長短于360 nm。而AlGaN材料具有直接帶隙且?guī)犊烧{(diào)(3.4 eV~6.2 eV)的特點,覆蓋了絕大部分的紫外發(fā)光波段(200 nm ~ 365 nm),因此成為制備DUV LED的理想材料。近年來,得益于AlGaN材料的制備技術(shù)更加趨于完善,DUV LED也取得了長足的進(jìn)步與發(fā)展。
圖1 DUV LED器件典型的外延結(jié)構(gòu)圖
二、問題
盡管如此,基于AlGaN材料的DUV LED目前仍面臨諸多問題:
1)LED屬于表面出光器件,所以沿著生長方向傳輸?shù)墓庾樱?a href="http://www.asorrir.com/tags/te/" target="_blank">TE模式偏振光)更容易被提取,有利于提高器件的光提取效率(LEE)。而相較于InGaN材料,AlGaN材料獨特的價帶分布導(dǎo)致DUV LED的出光以TM模式偏振光為主,這極大程度上削弱了器件的LEE。具體而言,對于InGaN材料,最靠近布里淵區(qū)中心的價帶為重空穴帶(HH band),所以載流子的復(fù)合以C-HH躍遷為主,TE模式偏振光占主導(dǎo);對于AlN材料,最靠近布里淵區(qū)中心的價帶為晶格場劈裂帶(CH band),所以載流子的復(fù)合以C-CH躍遷為主,TM模式偏振光占主導(dǎo)。
2)盡管AlGaN外延生長水平取得了一定的進(jìn)步,但目前DUV LED器件的穿透位錯密度(TDD)仍高達(dá)109~1010cm-2,嚴(yán)重增加了有源區(qū)內(nèi)SRH復(fù)合幾率,降低DUV LED的內(nèi)量子效率(IQE)。
3)III-V族氮化物中存在的極化效應(yīng)引起量子阱能帶的彎曲,造成電子與空穴波函數(shù)空間分離,嚴(yán)重削弱載流子的復(fù)合效率,即所謂的量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)。尤其是AlGaN材料自發(fā)極化強(qiáng)度明顯強(qiáng)于InGaN材料。
4)低空穴濃度與低空穴遷移率將導(dǎo)致電流主要擁擠在電極下方,引起電流擁擠效應(yīng)。從而造成載流子局域濃度的升高,增加了有源區(qū)內(nèi)俄歇復(fù)合幾率,造成器件結(jié)溫的升高,影響DUV LED的使用壽命。
5)低載流子注入效率進(jìn)一步限制了DUV LED的器件性能,尤其是空穴注入效率。一方面,隨著Al組分的增加,Mg雜質(zhì)的電離能逐漸增大,導(dǎo)致Mg的離化率極低;另一方面,p-EBL在抑制電子泄漏的同時還會阻礙空穴注入至有源區(qū),尤其是空穴的遷移率比較低。
三、措施
針對DUV LED器件中的低空穴注入效率,來自河北工業(yè)大學(xué)張紫輝教授團(tuán)隊對DUV LED器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,提出了介電調(diào)控隧穿結(jié)、電場存儲器概念、p-AlyGa1-yN/p-AlxGa1-xN/p-AlyGa1-yN (x
1. 介電調(diào)控隧穿結(jié)
傳統(tǒng)LED的p型電極直接濺射蒸鍍在p型半導(dǎo)體層,而低Mg摻雜效率導(dǎo)致p型半導(dǎo)體層中存在明顯的空穴耗盡區(qū),增加器件工作電壓的同時減小了供給層中的空穴濃度。
為此,研究人員提出利用傳統(tǒng)同質(zhì)隧穿結(jié)(p+-Gan/n+-GaN)和極化隧穿結(jié)(p+-Gan/InGaN/n+-GaN),其中n+-GaN層做金屬接觸層,來改善LED器件的空穴注入及電學(xué)特性。而對于UV LED而言,InGaN插入層對紫外波段的光子存在著嚴(yán)重的光吸收。
同時,鑒于AlGaN材料的相對介電常數(shù)隨著AlN組分的增加而減小,如圖2(a),張紫輝教授團(tuán)隊采用AlGaN材料做插入層,并提出介電調(diào)控隧穿結(jié)的概念,利用增強(qiáng)的結(jié)區(qū)電場來增加電子的隧穿幾率,從而提高p+-Gan層中的非平衡態(tài)空穴濃度。
圖2(a)AlxGa1-xN層相對介電常數(shù)和AlN組分之間的關(guān)系;(b)具有傳統(tǒng)同質(zhì)隧穿結(jié)的器件(A1)和具有介電調(diào)控隧穿結(jié)的器件(A2)隧穿結(jié)區(qū)的電場分布圖。插圖為隧穿結(jié)區(qū)電場峰值和極化水平之間的關(guān)系。
2. 電場存儲器
傳統(tǒng)的DUV LED器件的空穴供給層包括p-AlGaN層和p-GaN層兩部分。二者界面處存在著阻礙空穴從p-GaN層注入至p-AlGaN層的勢壘高度(即Φh),因此在p-AlGaN層靠近p-GaN層附近處產(chǎn)生空穴耗盡區(qū),如圖3(a),而且該耗盡區(qū)寬度隨Φh增加,造成空穴在p-AlGaN層中被嚴(yán)重地耗盡。
針對此問題,張紫輝教授團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)該耗盡電場方向與空穴傳輸方向一致,可以對空穴起到一定的加速效果,增加空穴注入至有源區(qū)的能力,如圖3(b), 此外,Φh保證了p-AlGaN層中的耗盡電場并不會被自由載流子所屏蔽。因此該團(tuán)隊提出了電場存儲器的概念,即空穴可以從該耗盡電場中源源不斷地獲取能量。
圖3 (a) DUV LED器件的空穴供給層p-AlxGa1-xN/p-GaN異質(zhì)結(jié)對應(yīng)的能帶圖,其中p-AlxGa1-xN層存在界面耗盡區(qū);(b) p-AlxGa1-xN層界面耗盡區(qū)中的電場方向示意圖。
3. p-AlyGa1-yN/p-AlxGa1-xN/p-AlyGa1-yN (x
p-EBL防止電子泄漏同時也會阻礙空穴注入至有源區(qū)。圖4(a)表明大量空穴將積聚在p-EBL/p-AlGaN界面處,只有少數(shù)具有高能量的空穴通過熱輻射機(jī)制(即P1)注入至有源區(qū)。通過與***交通大學(xué)Kuo Hao-Chung教授團(tuán)隊進(jìn)行合作研究,張紫輝教授和Kuo Hao-Chung教授等人建議在EBL中靠近p-AlGaN層一側(cè)插入一層薄的低禁帶寬度的材料,利用帶內(nèi)隧穿機(jī)制(即P0)減小空穴在p-EBL/p-AlGaN界面處的積聚,接著空穴通過熱輻射機(jī)制(P2)注入至有源區(qū),如圖4(b),4(c)。
圖4 (a) 傳統(tǒng)DUV LED器件的能帶示意圖;(b) 具有p-AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlxGa1-xN (x>y) EBL的DUV LED器件的能帶示意圖;(c) p-EBL和p-AlGaN層的空穴分布圖。
4. 極化效應(yīng)對空穴注入的影響
III-V族氮化物具有一個重要的物理性質(zhì),即極化效應(yīng)。對于傳統(tǒng)的[0001]晶向DUV LED,極化效應(yīng)不僅導(dǎo)致了量子限制斯塔克效應(yīng),而且嚴(yán)重影響載流子的注入效率,造成器件性能的衰減。然而,當(dāng)整體改變DUV LED器件結(jié)構(gòu)的極化水平,[0001]晶向(極化水平大于0)的器件性能明顯優(yōu)于[000-1]晶向的器件,而且光輸出功率隨著極化水平增加而進(jìn)一步被改善如圖5(a)。圖5(b)表明不同極化水平下,空穴在有源區(qū)、p-EBL和空穴供給層中的分布迥然不同。
張紫輝教授團(tuán)隊對該現(xiàn)象做了詳細(xì)的研究,發(fā)現(xiàn)增加p-EBL/p-AlGaN/p-GaN界面處的極化水平,一方面增加了空穴的能量,另一方面削弱了p-EBL對空穴的阻礙勢壘高度,從而提高空穴注入效率,改善DUV LED的器件性能。
圖5 注入電流為 35mA時,(a) DUV LED器件光輸出功率與極化水平之間的關(guān)系 和(b) 不同極化水平下,量子阱,p-AlGaN層和p-GaN層中的空穴分布圖。
5. 不同AlN組分量子壘對空穴注入的影響
張紫輝教授與Kuo Hao-Chung教授等人還發(fā)現(xiàn),最后一個量子壘和p-EBL界面處的極化電荷對空穴注入效率有著重要的影響。當(dāng)適當(dāng)增加量子壘組分的時候(E3>E2>E1),量子阱中電子濃度明顯增加,這主要是量子壘對電子的束縛能力得到增強(qiáng),如圖6(a)。同理,量子壘對空穴的阻礙作用也會明顯地增強(qiáng),理論上不利于空穴的注入,但是圖6(b)表明空穴隨著量子壘組分的增加而增加。這是由于隨著量子壘中AlN組分的增加,最后一個量子壘和p-EBL間的極化失配度減小,削弱了p-EBL對空穴的阻礙能力,從而提高有源區(qū)內(nèi)空穴的濃度,如見圖6(c)。
圖6 注入電流密度為100 A/cm2時,(a)量子阱中的電子分布;(b) 量子阱中的空穴分布和(c)UVA LED器件能帶示意圖。
四、結(jié)語
DUV LED擁有巨大的市場價值和廣闊的應(yīng)有前景,但低空穴注入效率嚴(yán)重限制了DUV LED的進(jìn)一步普及。除了在外延生長技術(shù)方面尋求突破,了解DUV LED內(nèi)部物理機(jī)理有利于研究領(lǐng)域人員更好地認(rèn)知DUV LED,改善DUV LED器件性能。
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原文標(biāo)題:詳解:如何提高深紫外LED空穴注入效率
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