基于AlGaN的275纳米深紫外LED的优势：采用锥形N型铝组分渐变电子阻挡层

《Micro and Nanostructures》：Advantages of AlGaN-based 275-nm deep-ultraviolet LEDs with a tapered N-shaped aluminum-composition graded electron blocking layer

优化AlGaN紫外LED性能的梯形N型梯度阻挡层设计，通过调节能带结构抑制电子泄漏并提升空穴注入效率，仿真显示在100A/cm2电流密度下光输出功率和内部量子效率分别提高33.9%和34.3%

　　

作者列表： 邵标 | 陆太平 | 张一凡 | 史先天 | 贾志刚 | 唐先生 | 登振 | 王中强 | 朱亚丹 | 张立春

鲁东大学集成电路学院，中国烟台，264025

摘要

本文提出了一种锥形N形铝组分渐变电子阻挡层（EBL），旨在减少电子泄漏并提高基于AlGaN的深紫外（DUV）LED的空穴注入效率，这些LED的发射波长约为275纳米。通过APSYS软件对这种金属极性LED的光学和电学性能进行了模拟。锥形N形渐变AlGaN层改变了EBL和活性区域的电场分布，从而调节了与之密切相关的带偏移。结果，电子的势垒高度从347.8 meV增加到374.7 meV，而空穴的势垒高度从469.9 meV降低到345.2 meV。电子势垒高度的增加和空穴势垒高度的降低有助于增强电子的限制和空穴的注入。此外，量子阱内的极化电场得到了减弱，这有利于提高辐射复合效率。在100 A/cm2的注入电流密度下，所提出的结构使光输出功率提高了33.9%，内部量子效率提高了34.3%。这些结果表明，锥形N形组分渐变EBL能够有效调节p-n结附近的载流子传输，为提高基于AlGaN的DUV LED的性能提供了一种有前景的方法。

引言

深紫外辐射（UVC，200–280纳米）在光刻、空气消毒和医疗防护方面具有广泛的应用潜力[[1], [2], [3]]。通过调整铝的组分，AlGaN的带隙可以连续调节到3.4至6.2电子伏特，覆盖210–365纳米的光谱范围[4]。然而，与基于GaN的蓝绿色LED相比，基于AlGaN的深紫外发光二极管（DUV-LED）的外部量子效率（EQE）仍然显著较低[5]。AlGaN基DUV-LED的低EQE主要源于高位错密度[6]、低光提取效率[7]、极化诱导的量子限制斯塔克效应（QCSE）[8]、Mg掺杂AlGaN层中的低掺杂效率[9]、严重的电子泄漏和低效的空穴注入[10]。为了解决这些问题，已经进行了大量研究，例如图案化衬底[11,12]、应变管理[13,14]、p-AlGaN空穴源层[6]、高反射率结构[15]、隧穿辅助层[16]、极化诱导的空穴掺杂[17]以及透明材料封装[18]。最近，Takano等人报道了在275纳米处具有20%记录EQE的AlGaN基DUV LED[19]。 对于氮化物材料，已知电子的迁移率较高，有效质量较小，这导致它们的传输不对称，从而影响进入活性区域的注入效率。在高注入电流下，电子容易从量子阱中泄漏出来，并在p型区域与空穴复合，从而降低发光效率。为了抑制电子从活性区域溢出到p型区域，广泛采用了具有适当能量势垒的电子阻挡层（EBL）在基于GaN的LED中。 对于发射波长为225–280纳米的DUV LED，p-AlGaN EBL需要较高的铝组分。然而，高铝组分存在两个主要缺点。首先，III族氮化物层中Mg受主的激活能随着铝组分的增加而显著增加，这对p型掺杂提出了挑战[20,21]。其次，高铝组分EBL与p型层（通常是AlGaN或GaN）之间的较大带偏移引入了较高的空穴注入势垒，从而降低了空穴注入效率，进而降低了发光效率[22]。因此，优化EBL已成为实现高性能UVC LED的关键课题。 EBL的优化目前主要集中在两个研究方向：（1）EBL的材料组分，如AlInGaN[23]、AlInN[24]、BAln[25]和BGaN[26]；（2）结构设计，包括阶梯渐变EBL[27,28]、超晶格EBL[29]、阶梯渐变超晶格EBL[30,31]、组分渐变EBL[32, [33], [34]以及p型多势垒EBL[35,36]。最近，单线性渐变AlGaN EBL因其极化诱导的掺杂和载流子传输调节能力而受到了广泛关注[37]。此外，通过简单调整前体的Al/Ga比例，可以在实验上实现渐变的铝组分分布[38,39]。在这项工作中，设计了一种由三个线性段组成的锥形N形AlGaN EBL，并将其应用于基于AlGaN的DUV LED中，以增强电子阻挡能力和空穴注入效率。

设备结构和仿真参数

图1展示了DUV LED的示意图结构。n型区域为3微米厚的Al_0.6Ga_0.4N层，电子浓度为3 × 10¹⁸ cm^?3。活性区域由五个周期的Al_0.55Ga_0.45N (2.5纳米)/Al_0.65Ga_0.35N (12纳米)多量子阱（MQWs）组成，旨在发射约275纳米的光。Al_0.65Ga_0.35N量子势垒中的电子浓度为5 × 10¹⁷ cm^?3。使用20纳米厚的Al_0.7Ga_0.3N EBL，其空穴浓度为5 × 10¹⁷ cm^?3，用于抑制电子泄漏。

结果与讨论

图2(a)显示了三种LED的归一化电致发光（EL）光谱。所有LED都显示出单一的发射峰，峰值波长约为275纳米。与LED A和LED B相比，LED C的峰值发射强度分别增加了31.6%和10.3%。图2(b)显示了LED的光输出功率和偏压与注入电流的关系。LED A的模拟I-V曲线和光输出功率特性与实验结果非常吻合。

结论

总之，本文详细设计并系统研究了具有锥形N形EBL的275纳米AlGaN基DUV LED。在100 A/cm2的电流密度下，与参考结构相比，该LED的光输出功率提高了33.9%，内部量子效率（IQE）提高了34.3%。这些显著的提升得益于锥形N形EBL对EBL和活性区域中能带的有效调节，可以减少电子泄漏。 <红印作者贡献声明> 邵标：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，软件使用，方法论，数据分析，概念化。 陆太平：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，监督，项目管理，方法论，资金获取，数据分析，概念化。 张一凡：撰写 – 审稿与编辑，验证，数据分析。 史先天：撰写 – 审稿与编辑，验证，数据分析。 贾志刚： <竞争利益声明> < /> <致谢> < />